碳纳米管增强铝基复合材料的制备及性能研究纳米相增强铝基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，表现出优异 的理化和力学性能碳纳米管力学性能的理论和实验研究表明碳纳米管的韧性 好，结构稳定，具有极小的尺度及优异的力学性能，是理想的一维纳米增强、增 韧材料本文通过对无压渗透条件的探索，克服了碳纳米管与熔融铝不浸润性的 障碍，实现了充分渗透，使碳纳米管在铝基体中分布均匀，与铝基体结合良好， 同时对碳纳米管增强铝基复合材料的微结构、维氏硬度及摩擦磨损性能进行了研 究一. 设计与研究内容本实验采用无压渗透法制备了碳纳米管增强铝基复合材料，并对其摩擦性能 进行了研究利用扫描电镜观察了复合材料断面的形貌，通过复合材料硬度测量 和摩擦磨损实验，研究了不同碳纳米管体积分数对复合材料的硬度及摩擦磨损性 能的影响同时根据碳纳米管增强铝基复合材料的特点，对材料的性能指标进行 了预测二. 选择基体和增强体材料的理由基体：铝1、 低密度：铝基复合材料的密度一般在2. 8左右，基本上与一般铝合金相当；2、 高的比强度（强度/密度）：颗粒增强的铝基复合材料，其强度在400〜700Mpa, 与一般结构钢相当；3、 高的比刚度（刚度/密度）：颗粒增强的铝及铝合金基复合材料弹性模量E约为 80〜140Gpa,其比刚度（E/P）比一般铝合金高约60%,是钢铁材料的1.5-2倍；4、 优良的高温性能及高的抗大气腐蚀能力：一般铝合金（如硬铝超硬铝）的强 度对温度较为敏感，而铝基复合材料的强度在高于30（TC时才呈快速下降趋势， 300°C时短时拉伸强度仍有400Mpa以上。
由于此材料的基体为铝及铝合金，故其 抗大气腐蚀能力好；5、 高的耐磨性：高的耐磨性是此材料显著的特点之一，在湿摩擦（有润滑）条 件下呈现出优良的耐磨性增强体材料：碳纳米管1. 碳纳米管的韧性好，结构稳定，具有极小的尺度及优异的力学性能，是理想的 一维纳米增强、增韧材料；2. 碳纳米管均匀地分散于复合材料中，且与铝基体结合良好；3. 碳纳米管的加入增大了复合材料的硬度，且其摩擦系数和磨损率随着碳纳米管 体积分数的增大而减小由于碳纳米管本身具有自润滑和增强作用，碳纳米管的 加入极大地改善了铝合金材料的摩擦性能三. 材料制备方法与摩擦性能研究制备碳纳米管增强金属基复合材料首先应该考虑的问题是如何使碳纳米管 在金属基体中很好地分散，且与基体很好地结合目前通常采用的方法主要有： 热压法、真空吸铸法、粉末冶金烧结法、半固态铸造法以及利用涂敷或表面沉积 改善润湿性的方法，但各有其局限性本文应用无压渗透方法制备了碳纳米管增 强铝基复合材料无压渗透是指熔体在无外力作用下，借助浸润导致的毛细管压力渗入颗粒多 孔预制件，形成复合材料的工艺，与其他复合工艺相比，无压渗透具有工艺简单、 对设备的要求低、所制备的材料致密度高、可以近乎终成型等优点。
1. 多壁碳纳米管的制备碳纳米管的制备采用催化热分解法乙烘作为碳源，钻作为催化剂，生成的 碳纳米管粗产物经过浓硝酸浸泡、氢氟酸浸泡、过滤和烘干后，获得高纯度碳纳 米管，用透射电镜进行观察主要目的：制备高纯度的碳纳米管，用来与铝基体结合2. 碳纳米管铝基复合材料的制备与摩擦磨损实验将碳纳米管、铝粉和镁粉按照如表1所示比例在不锈钢罐中氮气保护下球磨 共混7h取少量球磨后的粉末经过浓硝酸浸泡除去铝粉和镁粉并经清洗后，用透射 电镜观察球磨后的碳纳米管形貌表1粉体的化学组成Tab. 1 Chemical compositions of powders样品卩(CNTs)/%V(Mg) : V(A1)102 : 7U52 » 71U100 : 9IV102 : 7V152 : 7VI202 : 7余下的粉末模压成直径为70mm厚度为15nun的预制件放入不锈钢堆竭中,将牌 号为LY12的铝合金置于预制件上方然后将它们一同置入管式炉中，在氮气气氛 下加热到800摄氏度并保温5h随炉冷却至室温后取出，即为制备好的碳纳米管增 强铝基复合材料作为对比，在氮气气氛下也进行了相同的制备实验图1为实 验装置及布置图。
FT■2叮ftjTljft图1样品制备示意图mi"通过场发射扫描电镜观察了复合材料断面处碳纳米管在铝基体中的分布以 及与铝基体的结合情况，并测量了碳纳米管增强铝基复合材料的维氏硬度在 MMWT销盘式摩擦磨损试验机上进行了摩擦磨损试验销试样为标准件，其材料 为调质过的中碳钢(硬度为HB220)盘试样(直径为20mm,厚度为10mm)由碳纳米管 增强铝基复合材料线切割而成，其表面经抛光和丙酮清洗摩擦磨损实验条件为: 干摩擦相对滑动速度为0. 157m/s,法向载荷为30N待磨损达到稳态后测量平均 摩擦系数和磨损失重，并以单位滑动距离的磨损失重作为磨损率主要目的：使碳纳米管在铝基体中均匀分布制备碳纳米管增强铝基复合材 料，并测试该材料的摩擦性能四. 材料结构和性能特点分析1. 碳纳米管形貌图2(a)为纯化后的碳纳米管透射电镜照片，其长径比为100-1000,且易团聚 球磨7h后的碳纳米管明显变短，且分散性提高，如图2 (b)所示碳纳米管切短 后有利于在金属基体中很好地分散山吐亠诗匕专:中―泸 Ihi丸勺百的战讪来y；图2提纯后和球磨后的碳纳米管TEM照片2. 碳纳米管铝基复合材料的微结构分析和硬度 图5碳纳米管/铝基复合材料的硬度随纳米碳管体积分数的变化图5为碳纳米管铝基复合材料的硬度随复合材料中碳纳米管体积分数的变化 曲线。
当碳纳米管体积分数小于10%时，复合材料的硬度随着碳纳米管体积分数 的增加而显著提高这是由于当碳纳米管体积分数较低时，复合材料中的碳纳米图6当碳纳米管体积分数为10%时复合材料断口的SEM形貌照片管增强效果更为显著，使复合材料的硬度明显增高当碳纳米管体积分数达到15% 时，复合材料的孔隙率上升，同时复合材料中碳纳米管出现团聚现象，复合材料 的硬度增加趋缓而达到最大值当碳纳米管体积分数大于15%后，孔隙率上升及 碳纳米管团聚对复合材料硬度的影响超过碳纳米管的增强效果，复合材料的硬度 开始下降由图6断口扫描电镜形貌照片可以看出，碳纳米管的直径比图2中要大一些， 这可能是由于其外被金属包覆所致另外，碳纳米管分布均匀，彼此黏连较少， 断口处存在碳纳米管的拔出与桥接，复合材料的断裂以纤维拔出为主综上所述，当碳纳米管体积分数较低时，复合材料的硬度随着碳纳米管体积 分数的增大而提高；而当其体积分数大于15%后，复合材料的硬度反而下降3. 碳纳米管铝基复合材料的摩擦磨损性能图7为在30N载荷下稳态磨损条件下，上述碳纳米管铝基复合材料的摩擦系数 和磨损率随碳纳米管体积分数的变化曲线从图7可以看出，随着碳纳米管体积 分数的增加，复合材料的摩擦系数逐渐降低。
这是因为随着碳纳米管体积分数的 增加，摩擦接触面上的碳纳米管逐渐增多，减少了金属基体与销子直接接触的几 率，由于碳纳米管具有良好的自润滑作用，导致复合材料的摩擦系数下降从图0.150.140.130.120.110.10图7复合材料的摩擦系数和磨损率随碳纳米管体积分数的变化曲线7还可以看出，随着碳纳米管体积分数的增加，复合材料的磨损率也在下降这 是因为当碳纳米管体积分数较小时，磨损表面的碳纳米管数量较少，碳纳米管对 基体铝氧化的抑制作用较弱，氧化磨损较强，同时碳纳米管的增强效果小，复合 材料磨损表面变形大，磨粒磨损较强；随碳纳米管体积分数的增加，摩擦剥落的 碳纳米管的数量逐渐增加，其对磨损表面的覆盖程度增大，碳纳米管对基体铝氧 化的抑制作用增强，因而减少了氧化磨损，同时碳纳米管的增强效果更加明显， 复合材料磨损表面变形较小，磨粒磨损也随之减少因此，由于碳纳米管的自润滑和增强作用，复合材料的摩擦系数和磨损率随 着碳纳米管体积分数的增大而减小五. 材料性能指标预测由于碳纳米管的独特结构与其超强力学性能，用它对铝基复合材料改性处 理，理论预测可解决碳纤维增强铝基复合材料中存在的三大问题：1. 由于碳纳米管管径为纳米级，其晶格缺陷比碳纤维小得多且其强度大大提高；2. 由于碳纳米管长径比可达＞103,而长度可小到微米级甚至几百个纳米，其复 合材料的各向异性会有极大的改善；3. 由于碳纳米管直径小，表面积大，表面活性高，其与金属基体间湿润性比碳纤 维好，且高温稳定，不易与基体金属反应形成脆性界面。
碳纳米管/A1复合材料实验研究表明，在烘结温度下，碳纳米管/A1界面不存 在界面反应物，理论分析预测，用碳纳米管增强铝合金复合材料，其强度可在 1400MPa以上，弹性模量应在200GPa以上，且可保持铝基的高延展性，其性能将 接近高性能合金钢这将大大拓宽铝材在航空、航天、交通运输甚至民用建筑装 饰等领域中的应用范围。