□ 景春明□ 許敬月 □ 潘 強 □ 李景藝 □ 李七平 □ 韓文科

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碳納米管增強鎂基復合材料機械性能及組織研究

□ 景春明1□ 許敬月2□ 潘 強2□ 李景藝3□ 李七平2□ 韓文科2

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采用攪拌鑄造法制備碳納米管增強鎂基復合材料，測試復合材料在鑄態(tài)、T4固溶和T6時效狀態(tài)下的機械性能，并對材料的微觀組織進行觀察和分析。同時研究了加入碳納米管對復合材料機械性能的影響規(guī)律，為生產及科研提供了參考依據(jù)。

碳納米管；鎂基復合材料；性能

鎂及鎂合金是目前最輕的結構金屬材料，具有比強度和比剛度高、抗磁性能好、電負性和導熱性高等優(yōu)點，并具備良好的消振性和切削加工性能[1-3]。但是鎂合金的強度不高，特別是高溫性能較差，塑性成形性差，工業(yè)應用中無法制作成高強度的結構材料。鑄件成形方法也有局限性，因此阻礙了鎂合金的發(fā)展，大大限制了其應用[4]。

碳納米管鎂基復合材料具有高彈性模量、高強度、高耐磨性能，憑借自身固有的優(yōu)良性能，在材料應用領域將發(fā)揮更大的作用。因此，研究碳納米管鎂基復合材料性能，擴大其應用范圍，發(fā)掘其應用潛能是十分必要的。

筆者采用攪拌鑄造法制備碳納米管增強鎂基復合材料[5]，測試復合材料在鑄態(tài)、T4固溶和T6時效狀態(tài)下的機械性能，并對復合材料的微觀組織進行觀察和分析，研究各成分對復合材料機械性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

（1）基體材料。基體材料選用AZ91D合金，屬于鑄造鎂合金[6]，其組織材料及其配比見表1、表2，以熔煉1 000 g計算各成分需要的含量，文中加入碳納米管的量均為其質量分數(shù)。

表1 AZ91D合金成分

表2 碳納米管增強復合材料配比

（2）增強材料。增強材料選用南昌大學太陽納米有限公司提供的多壁碳納米管，直徑1 nm。預先經過氫氟酸處理，去除表面的氧化物。為了提高碳納米管在金屬熔體中的分散性和潤濕性，對碳納米管進行了球磨預處理，球磨速度135 r/min，時間6 h[7]。球磨后表面干凈，為后續(xù)試驗做準備。

（3）覆蓋劑及保護氣。選用CO2+0.5%SF6，CO2和SF6的體積比大約為99∶1。

1.2 主要設備

井式電阻爐選用丹陽市華信工業(yè)電爐有限公司產品，球磨機選用湖南弗卡斯實驗儀器有限公司F-P400型，壓力機選用溫嶺市長風機床附件廠JH-16型，金相試樣切割機選用萊州蔚儀試驗器械制造有限公司Q-2型，拋光機選用紹興精博檢測儀器有限公司MP-2型，金相鑲嵌機選用萊州蔚儀試驗器械制造有限公司XQ-2B型，金相顯微鏡選用萊州蔚儀試驗器械制造有限公司XJZ100型。

1.3 分析測試

（1）顯微硬度測試。在HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計上測試復合材料的顯微硬度，載荷100 g，加載時間15 s，每個試樣取3個值，如果離散太大，則取5個值，最后求平均值。

（2）掃描電鏡測試。將試樣拋光，并用4%硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕。采用荷蘭飛利浦公司生產的XL30 ESEM-TMP型掃描電鏡觀察斷面微觀形貌。

1.4碳納米管AZ91復合材料的制備

1.4.1 材料熔化及吸鑄

（1）火鉗等工具刷上涂料（氧化鋅溶液）烘干，并在200℃的狀態(tài)下預熱。

（2）將預先刷過涂料的坩堝預熱到500℃，在坩堝底部撒上2 g覆蓋劑。

（3）依次放入AZ91D合金、鎂錠，放入之前先用毛刷去除表面的氧化層。

（4）升溫熔煉，當熔體溫度達到700℃時，加入精煉劑，進行精煉。精煉完成后除去熔體表面氧化渣。

（5）靜置2 min后，邊攪拌邊加入碳納米管預制塊，再攪拌1 min。

（6）測量熔體溫度并吸鑄，吸鑄溫度為640℃。

在以上過程中，如果發(fā)現(xiàn)熔體燃燒，應及時撒覆蓋劑，并通CO2+0.5%SF6保護氣體[8]。重復以上步驟，直到完成所有材料的熔煉。

1.4.2 后續(xù)熱處理

復合材料的后續(xù)處理包括T4固溶處理和T6人工時效。固溶處理溫度為415℃，保溫12 h，固溶之后再對部分試樣進行人工時效處理，時效溫度175℃，時效24 h。在以上過程中，應當用鋁箔將試樣包裹起來，防止試樣表面氧化。同時應當注意使材料隨爐加熱和冷卻，并且升溫和降溫不能太快，防止材料突然遇熱或遇冷而產生內部應力裂紋[9]。

1.5 機械性能測試

將試樣棒料加工成標準拉伸試樣，長徑比為5，見圖1。性能分析測試過程如下。

圖1 標準拉伸試樣

（1）在微機控制電子萬能實驗機上進行拉伸試驗，測試復合材料的機械性能，主要測試值為抗拉強度、彈性模量、延伸率和斷面收縮率，設置標距為40 mm，應變速度1 mm/min，彈性階段控制力為50.0 N/s，塑性階段控制力為80.0 N/s，所測彈性模量為拉伸曲線彈性階段值。

（2）在顯微硬度計上測試復合材料的顯微硬度，載荷100 g，加載時間15 s，每個試樣取3個值，如果離散太大（偏離8%），則取5個值，最后求平均值。

（3）拋光試樣，用4%硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕，然后在金相顯微鏡下對復合材料顯微組織進行觀測[10]。

2 結果與討論

2.1 復合材料的機械性能

本試驗的測試結果見表3。

表3 吸鑄法碳納米管增強復合材料固溶時效后拉伸試驗結果

2.2 加入碳納米管對復合材料機械性能的影響

比較經過固溶處理的AZ91和加入碳納米管的AZ91,可以發(fā)現(xiàn)，加入碳納米管后材料強度有所提高，然而塑性卻下降了，其抗拉強度由原來的153.20MPa上升到176.36 MPa，而延伸率則由4.70%下降到4.02%。圖2為AZ91+1%碳納米管拉伸曲線。

圖2 AZ91+1%碳納米管拉伸曲線

2.3 不同鋁含量對復合材料機械性能的影響

用攪拌鑄造法將碳納米管加入鎂合金熔體，將試樣棒料加工成標準拉伸試樣進行試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)。圖3為不同鋁含量的應力-應變率曲線圖。

圖3 不同鋁含量的AZ91應力-應變率曲線

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋁含量增加，材料的抗拉強度有所下降。

2.4 熱處理工藝對機械性能的影響

由圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同程度的熱處理工藝，對材料的抗拉強度有明顯的影響，其共同規(guī)律為：經過T4固溶后，材料的抗拉強度有所提高；經過T4固溶和T6時效后，材料的抗拉強度比原始狀態(tài)有所提高，而比T4態(tài)有所下降。

圖4 AZ101+1%碳納米管拉伸曲線

圖5 AZ111+1%碳納米管拉伸曲線

由圖6彈性模量的比較可以發(fā)現(xiàn)，當鋁含量增加時，復合材料的彈性模量有所提高，而熱處理則使材料的彈性模量有一定程度的下降，其中鋁含量越高，熱處理的影響就越明顯。碳納米管的加入使材料的彈性模量有所提高，AZ111的彈性模量高達94.5 MPa，比AZ91大1倍，達到了預期的效果。

圖6 不同材料不同狀態(tài)下彈性模量比較

2.5 顯微硬度分析

表4為不同材料的顯微維氏硬度（HV）分析結果，由表4數(shù)據(jù)得到圖7。

圖7 顯微硬度統(tǒng)計

表4 維氏硬度（HV）分析

通過表4及圖7可以得到如下結論。

（1）經過時效之后硬度有所提高，而固溶后的硬度變化不明顯。

（2）加入碳納米管之后硬度有所提高，這主要是因為碳納米管有細化晶粒的作用。

（3）固溶后硬度變化規(guī)律不明顯，理論上經過固溶之后硬度會有所降低。

（4）鋁含量的增加也會提高材料硬度，這是因為鋁含量增加，β相也相應增加，形成了更多的第二相，因此硬度相應提高[9]。

2.6 微觀組織觀察與分析

圖8～圖12是不同材料的掃描電鏡圖。

圖8 AZ91鑄態(tài)

圖9 AZ91固溶態(tài)

通過觀察圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)：經過固溶處理后，原來分布晶界的β相溶入到鎂基體中，晶界變得比較明顯，但是晶粒有所長大，組織變得均勻致密。這表明固溶處理工藝合理，成功地將第二相溶解到鎂基體中，起到了固溶強化的作用。

比較圖9和圖11可以發(fā)現(xiàn)：加入碳納米管后，材料的顯微組織細化，晶粒尺寸變小，這表明碳納米管有細化晶粒的作用。同時比較圖8和圖10可以發(fā)現(xiàn)：在鑄態(tài)條件下碳納米管對組織的影響不是很大，這主要是因為碳納米管和第二相混雜在一起，對鎂基體強化作用不明顯。

圖10 AZ91+1%碳納米管鑄態(tài)

圖11 AZ91+1%碳納米管固溶態(tài)

比較圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn)：固溶時效后，β相從晶界析出變成團聚狀，材料中的缺陷變少，而且晶粒有變大的趨勢，這表明時效的工藝方法是合理的。如果時效時間變長，則晶粒會長得更大，溫度升高也會促進晶粒長大。

圖12 AZ91+1%碳納米管固溶+時效態(tài)

通過觀察比較發(fā)現(xiàn)，經過T4固溶處理后，復合材料晶粒組織由細小、均勻的等軸晶組成，晶界處的離異共晶β相和二次相消失。在鎂合金顯微組織中，金屬間化合物屬于Mg17Al12，屬于硬質相，主要分布在晶界處。在固溶處理的過程中，金屬間化合物Mg17Al12幾乎全部溶到鎂基體中，形成了單相的過飽和α-鎂相固溶體，并且晶界變細，成規(guī)則線狀分布，晶粒組織成均勻的等軸晶分布[11]。等軸晶的出現(xiàn)和硬質β相溶解形成的固溶強化，能大大提高復合材料的抗拉強度和韌性，而材料的剛度和硬度則下降，這和前面的結論是一致的。所以，經過固溶處理后，材料抗拉強度和延伸率提高，而彈性模量和顯微硬度則有所下降。

在鑄態(tài)組織中，大部分碳納米管分布在晶界的離異共晶β相和二次相處，固溶處理之后，一部分碳納米管隨著金屬間化合物在鎂基體中溶解，均勻地溶入到過飽和α-鎂固溶體中，形成網格狀分布，起到強化晶粒的作用[12]。

在掃描電鏡圖中還可以發(fā)現(xiàn)，晶界處有許多黑色物質存在，這是由于碳納米管加入量過多導致在晶界處形成大量偏聚，經過固溶處理后，偏聚的碳納米管未能和金屬化合物一起溶解，這些團聚的碳納米管降低了復合材料的致密度，從而影響機械性能。過多的黑色物質是腐蝕過度進而引起晶界燒損造成的。

3 結論

（1）碳納米管的加入能提高復合材料的組織性能，加入碳納米管后，不管是鑄態(tài)還是經過熱處理的T4態(tài)或T6態(tài)，材料抗拉強度和硬度都有所提高。

（2）選擇合理的熱處理工藝，經過T4和T6熱處理之后，復合材料的機械性能有所提升。

（3）鋁含量能嚴重影響復合材料的機械性能，因此，為了獲得高性能復合材料，就要嚴格控制鋁的含量，但是如果想要達到高的彈性模量，則鋁含量要高一些。

（4）碳納米管能明顯細化復合材料微觀組織：鑄態(tài)時，碳納米管主要分布在離異共晶β相和二次相中，起到強化晶界作用；T4態(tài)時，碳納米管主要分布在等軸晶組織中的晶界和過飽和固溶體中，起強化作用；T6態(tài)時，碳納米管有部分析出在晶界，可以起到強化晶界的作用。

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Stirring casting method was used to prepare the CNT reinforced Mg-based composites.The mechanical propertiesof thecompositesin cast condition，T4 conditon and T6 condition weretested,and themicrostructureof thecompositeswasobserved and analyzed.At thesametime,theregular pattern on theimpact of CNT injection to the mechanical properties of the composites was studied,which might provide the reference for theproduction and scientificresearch.

CNT ；Mg-based Composites ；Performance

TH140

A

1672-0555（2017）03-019-06

2017年6月

景春明（1984—），男，本科，助理工程師，主要從事材料研發(fā)、企業(yè)規(guī)劃工作

（編輯：日 月）