潘強(qiáng)

（江西工程學(xué)院 江西新余　338000）

CNTs/AZ91復(fù)合材料高溫性能的研究

潘強(qiáng)

（江西工程學(xué)院 江西新余338000）

在氬氣保護(hù)下，采用攪拌鑄造法制備了化學(xué)包覆鎳碳納米管（Ni-CCNTs）/AZ91復(fù)合材料。研究結(jié)果表明：Ni-CCNTs/AZ91復(fù)合材料具有良好的高溫力學(xué)性能。

AZ91鎂合金；碳納米管；復(fù)合材料

鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)異的力學(xué)性能，但是當(dāng)服役溫度超過120℃后，其強(qiáng)度和抗蠕變性能都大幅度下降。AZ91作為鎂合金中應(yīng)用最廣的一個(gè)牌號(hào)，服役溫度通常也只能在120℃以下。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

基體材料選用AZ91，化學(xué)成分實(shí)驗(yàn)自行配置AZ91合金，原材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別是：Mg為99.6%、Al為99.99%、Zn為99.96%、Mn為96.7%，其中Mn熔制成Al-10%Mn中間合金。增強(qiáng)材料選用儲(chǔ)法制備的多壁碳納米管（MWCNTs），由南昌大學(xué)提供，實(shí)驗(yàn)用碳納米管經(jīng)過純化和鋅化化學(xué)包覆Ni兩道工藝處理，不難發(fā)現(xiàn)相互纏結(jié)的碳納米管表面包覆著一層毛茸茸狀的物質(zhì)，實(shí)為包覆著的金屬鎳層。同時(shí)也進(jìn)行了能譜分析分析，得到結(jié)果如下：碳元素-99.55wt%、鎳元素-0.45wt%，鎳元素所占比重不大，說明碳納米管表面很好的包覆著鎳鍍層。

1.2復(fù)合材料制備工藝和設(shè)備

采用液態(tài)金屬攪拌鑄造法制備碳納米管/AZ91鎂合金復(fù)合材料，制備工藝如下：首先將配制的AZ91鎂合金放入爐中熔化，并加入0.5～1.5%的RJ-2熔劑起覆蓋保護(hù)作用。爐料全部熔清后加進(jìn)0.5～0.8%的六氯乙烷對(duì)鎂合金熔體進(jìn)行處理，溫度為740～750℃，然后把溫度降低到720～740℃，靜置5～8min后開始添加碳納米管。添加碳納米管溫度為600～610℃，同時(shí)向爐中熔體液面通入氬氣。攪拌時(shí)間為10min；試樣澆鑄采用真空吸鑄，吸鑄溫度為605～610℃。把鑄態(tài)樣品加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，

2　結(jié)果與討論

2.1 CNTs/AZ91復(fù)合材料高溫力學(xué)性能分析

化學(xué)包覆鎳碳納米管加入量對(duì)復(fù)合材料高溫性能的影響所示：復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度第一個(gè)小峰值出現(xiàn)在碳納米管加入量為0.5%時(shí)，達(dá)到111.92MPa，比200℃時(shí)基體抗拉強(qiáng)度提高了14.08%；加入量超過0.5%，抗拉強(qiáng)度下降；當(dāng)加入量超過1.0%，抗拉強(qiáng)度又迅速增大，并在加入量為1.2%時(shí)出現(xiàn)最大值，為121.11MPa，比基體提高了約23.44%；碳納米管加入量超過1.2%，抗拉強(qiáng)度又急劇下降，并在加入量為1.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度降為101.83MPa，略高于基體值。

特別是經(jīng)過化學(xué)化學(xué)包覆鎳處理后的碳納米管由于改善了與基體的潤(rùn)濕和結(jié)合狀況，使其增強(qiáng)效果更佳。因此，在高溫變形條件下復(fù)合在基體中的碳納米管能較好的發(fā)揮載荷轉(zhuǎn)移能力和阻礙晶界滑移的作用，從而使CNTs/AZ91復(fù)合材料的高溫抗拉強(qiáng)度得到較大的提高。

2.2高溫拉伸后CNTS/AZ91復(fù)合材料顯微組織分析

經(jīng)酒精-5%硝酸溶液腐蝕后的AZ91合金和AZ91-1.2%化學(xué)包覆鎳CNTs復(fù)合材料在200℃高溫拉伸后的金相組織。在金相組織中，晶界處主要以二次β-Mg17Al12相為主，且只能觀察到少量β-Mg17Al12離異共晶體成碎片狀分布于晶界處，可以看出晶粒尺寸明顯小于圖的晶粒。室溫條件下，AZ91合金中主要的強(qiáng)化相是晶界上的金屬間化合物Mg17Al12，該相的熔點(diǎn)較低，僅為462℃，且熱穩(wěn)定性差，當(dāng)溫度超過120～130℃時(shí)，即開始軟化并變得粗大，不能起到釘扎晶界和抑制高溫晶界轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，導(dǎo)致合金的高溫強(qiáng)度變低。

由此可知，在高溫下碳納米管作為增強(qiáng)相的加入能大大提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。

2.3 CNTs/ZM5復(fù)合材料高溫拉伸斷口形貌分析

可看出許多較為明顯的圓形韌窩和山脈狀撕裂棱。由此可知，在200℃高溫拉伸條件下，復(fù)合材料的斷裂形式主要由韌窩和撕裂棱組成。雖然鎂合金屬于脆性材料，但是在高溫條件下CNTs/AZ91復(fù)合材料的斷裂特征更趨向于韌性斷裂。

3　結(jié)論

（1）化學(xué)包覆鎳碳納米管作為增強(qiáng)相能顯著提高復(fù)合材料高溫性能。在200℃高溫下，當(dāng)碳納米管加入量為1.2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和延伸率同時(shí)達(dá)到最大值，分別為121.11MPa和9.52%相對(duì)于同溫度下的基體分別提高了23.44%和41.54%。

（2）碳納米管加入量過多時(shí)，會(huì)因團(tuán)聚而影響復(fù)合效果，從而導(dǎo)致復(fù)合材料高溫性能下降。

（3）在高溫下，復(fù)合材料的斷裂形式主要由韌窩和撕裂棱所組成，其斷裂特征更趨向于韌性斷裂。

[1]李四年，等.鑄造法制備納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能研究[J].鑄造，2004，54（3）.

[2]R H Baughman，A A Zakhidov，W A Heer.Carbon nanotubes-the route toward applications[J].Science，2002，297（5582）：787～792.

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