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

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1、第26卷第6期兵器材料科學(xué)與工程Vol126No162003年11月ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGNov.2003X碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與研究1,211劉白,鄧福銘,曲敬信(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

2、點(diǎn)。關(guān)鍵詞:碳納米管;鋁;復(fù)合材料中圖分類號(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(guò)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[5-8]向,也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外新材料研

3、究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)都有應(yīng)用,沉淀硬化鋁合金Al-Cu-Mg、Al-[3]鋁基復(fù)合材料具有密度低、合金選擇范圍廣、可熱處Zn-Mg-Cu等特別受到研究者的重視。材料的[1-2]理性好、制備工藝靈活多樣等許多優(yōu)點(diǎn)。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)[9]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;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

4、基[3]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;為了提高材料的高溫性能,可以選用Al-Fe[10]殊的領(lǐng)域,如航空航天領(lǐng)域;(2)采用不連續(xù)增強(qiáng)體增系合金。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[3]泛。相對(duì)來(lái)說(shuō),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

5、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(lái)說(shuō)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[4]合材料的設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中,基體金屬、增強(qiáng)體、制低。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

6、、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。1.1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(guò)影響復(fù)合材料的界面組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來(lái)實(shí)[4]特點(diǎn);(3)基體和增強(qiáng)體之間的相容性。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。X收稿日期:2004-04-01;修訂日期:2003-07-14作者簡(jiǎn)介:劉白(1

7、963-),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T

8、EM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