碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與研究

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1、第26卷第6期兵器材料科學(xué)與工程VOl.26NO.62003年11月ORDNANcEMATERIAlscIENcEANDENGINEERINGNOV.2003!碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與研究劉白1，2，鄧福銘1，曲敬信1（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京100083；2.長(zhǎng)沙大學(xué)機(jī)械工程系，湖南長(zhǎng)沙410003）摘要：碳納米管具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、超強(qiáng)的力學(xué)性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能和極高的長(zhǎng)徑比，是制備復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。評(píng)述了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用研究的動(dòng)態(tài)。詳細(xì)討論了該復(fù)合材料的合金化和界面特性，并指出今后研究的重點(diǎn)。關(guān)鍵詞：碳納米管；鋁；復(fù)合材料中圖分

2、類號(hào)：TB332文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004—244X（2003）06—0054—04鋁合金及鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模量、復(fù)合材料中，純鋁和鋁合金都可以用作基體，其中以輕質(zhì)、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕、耐磨損、不吸濕、不放鋁合金作為基體的居多。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，氣、尺寸穩(wěn)定、不老化等特點(diǎn)，已成為航空、航天及其鋁合金已形成了較成熟的合金體系。工業(yè)上常用的它尖端技術(shù)部門發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)重要方Al-si、Al-Mg、Al-cu系合金在鋁基復(fù)合材料中向，也是近年來國(guó)內(nèi)外新材料研究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)都有應(yīng)用［5-8］，沉淀硬化鋁合金Al-cu-Mg、Al-鋁基復(fù)合材料具

3、有密度低、合金選擇范圍廣、可熱處［3］。材料的Zn-Mg-cu等特別受到研究者的重視理性好、制備工藝靈活多樣等許多優(yōu)點(diǎn)［1-2］。鋁基復(fù)使用要求是選用基體金屬的首要條件，如當(dāng)要求材合材料具有很大的應(yīng)用潛力，并且已有部分鋁基復(fù)合料具有良好的耐磨性、導(dǎo)熱性及低的熱膨脹系數(shù)時(shí)材料成功地進(jìn)入了商業(yè)化生產(chǎn)階段。當(dāng)前鋁基復(fù)合（如活塞材料），基體為Al-si合金［9］；為了進(jìn)一步材料的研究集中在兩個(gè)方面：（1）采用連續(xù)纖維增強(qiáng)減輕零部件的重量，可考慮選用Al-li合金作為基的具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料，其應(yīng)用范圍集中在很特體［3］；為了提高材料的高溫性能，可以選用Al-fe殊的領(lǐng)域，如航空航天

4、領(lǐng)域（；2）采用不連續(xù)增強(qiáng)體增系合金［10］。強(qiáng)的具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣金屬基復(fù)合材料的組成特點(diǎn)也是在選擇基體金泛［3］。相對(duì)來說，后者具有制備工藝簡(jiǎn)單、增強(qiáng)體成屬時(shí)需要考慮的重要因素。在連續(xù)纖維增強(qiáng)的金屬本低廉等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn)的潛力更大，基復(fù)合材料中，連續(xù)纖維是主要承載相，基體金屬的因此成為當(dāng)前鋁基復(fù)合材料的研究重點(diǎn)。作用是固定纖維，傳遞載荷，此時(shí)基體金屬的塑性以及它與增強(qiáng)纖維的相容性是選材的重要依據(jù)，而基1鋁基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備體的強(qiáng)度相對(duì)來說是次要的。事實(shí)上，有研究表明，材料的使用性能是材料設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。不同的碳纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料中純

5、鋁或僅有少量合金技術(shù)領(lǐng)域、不同的工況條件對(duì)材料的性能有不同的元素的鋁合金作為基體比高強(qiáng)度鋁合金好得多，高要求，往往要求選用不同的材料。因此在金屬基復(fù)強(qiáng)度鋁合金作基體制備的復(fù)合材料性能反而較合材料的設(shè)計(jì)和制備過程中，基體金屬、增強(qiáng)體、制低［4］。而對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，基體是備方法及工藝參數(shù)的選擇是多種多樣的，同時(shí)這些主要承載相，故基體的強(qiáng)度成為選擇基體金屬的重因素相互作用、相互影響，共同決定了最終所制得材要依據(jù)，此時(shí)通常用高強(qiáng)的鋁合金，如A356、6061、料的性能。7075等合金作為基體。!.!基體金屬的選擇基體金屬與增強(qiáng)體的相容性，尤其是化學(xué)相容基體金屬的選擇應(yīng)考

6、慮以下3個(gè)方面：（1）金屬性，在選擇基體金屬時(shí)也要給予充分的考慮。它的作基復(fù)合材料的使用要求；（2）金屬基復(fù)合材料組成的用是通過影響復(fù)合材料的界面組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來實(shí)特點(diǎn)；（3）基體和增強(qiáng)體之間的相容性［4］。在鋁基現(xiàn)的。關(guān)于這一點(diǎn)，將在界面研究部分詳細(xì)討論。!收稿日期：2004-04-01；修訂日期：2003-07-14作者簡(jiǎn)介：劉白（1963-），男，副教授，博士生第6期劉白等：碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與研究551.2碳納米管（CNTS）增強(qiáng)相的結(jié)構(gòu)與性能金屬基復(fù)合材料正是由于增強(qiáng)體的加入并與基體的良好復(fù)合才具有比普通金屬材料更高的性能，因此增強(qiáng)體的選擇非常重要。針

7、對(duì)材料的具體應(yīng)用，增強(qiáng)體首先應(yīng)具有明顯提高金屬基體某種所需特性的性能，如作為結(jié)構(gòu)材料時(shí)，增強(qiáng)體應(yīng)具有高強(qiáng)度、高彈性模量、低密度等性能，而作為耐磨材料時(shí)，硬度、耐磨性是主要的選擇依據(jù)。同時(shí)，增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，與金屬基體有良好的浸潤(rùn)性，以保證增強(qiáng)體與基體金屬良好復(fù)合和分布均勻。此圖1納米碳管TEM像外，增強(qiáng)體的成本也是需要考慮的一個(gè)重要因素。強(qiáng)酸強(qiáng)堿，在973K以下溫度，在空氣中基本不發(fā)生根據(jù)增強(qiáng)體的形態(tài)，可將其分為纖維、顆粒、晶變化，具有較好的熱穩(wěn)定性。須三種類型，三種類型的增強(qiáng)體在鋁基復(fù)合材