CNTs/AZ91復合材料高溫性能的研究

潘強

（江西工程學院 江西新余　338000）

CNTs/AZ91復合材料高溫性能的研究

潘強

（江西工程學院 江西新余338000）

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

AZ91鎂合金；碳納米管；復合材料

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

1　實驗

1.1實驗材料

基體材料選用AZ91，化學成分實驗自行配置AZ91合金，原材料質量分數）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。增強材料選用儲法制備的多壁碳納米管（MWCNTs），由南昌大學提供，實驗用碳納米管經過純化和鋅化化學包覆Ni兩道工藝處理，不難發現相互纏結的碳納米管表面包覆著一層毛茸茸狀的物質，實為包覆著的金屬鎳層。同時也進行了能譜分析分析，得到結果如下：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復合材料制備工藝和設備

采用液態金屬攪拌鑄造法制備碳納米管/AZ91鎂合金復合材料，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熔劑起覆蓋保護作用。爐料全部熔清后加進0.5～0.8%的六氯乙烷對鎂合金熔體進行處理，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℃，同時向爐中熔體液面通入氬氣。攪拌時間為10min；試樣澆鑄采用真空吸鑄，吸鑄溫度為605～610℃。把鑄態樣品加工成標準拉伸試樣，

2　結果與討論

2.1 CNTs/AZ91復合材料高溫力學性能分析

化學包覆鎳碳納米管加入量對復合材料高溫性能的影響所示：復合材料抗拉強度第一個小峰值出現在碳納米管加入量為0.5%時，達到111.92MPa，比200℃時基體抗拉強度提高了14.08%；加入量超過0.5%，抗拉強度下降；當加入量超過1.0%，抗拉強度又迅速增大，并在加入量為1.2%時出現最大值，為121.11MPa，比基體提高了約23.44%；碳納米管加入量超過1.2%，抗拉強度又急劇下降，并在加入量為1.5%時，抗拉強度降為101.83MPa，略高于基體值。

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

2.2高溫拉伸后CNTS/AZ91復合材料顯微組織分析

經酒精-5%硝酸溶液腐蝕后的AZ91合金和AZ91-1.2%化學包覆鎳CNTs復合材料在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合金中主要的強化相是晶界上的金屬間化合物Mg17Al12，該相的熔點較低，僅為462℃，且熱穩定性差，當溫度超過120～130℃時，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動的作用，導致合金的高溫強度變低。

由此可知，在高溫下碳納米管作為增強相的加入能大大提高復合材料的抗拉強度。

2.3 CNTs/ZM5復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復合材料的斷裂特征更趨向于韌性斷裂。

3　結論

（1）化學包覆鎳碳納米管作為增強相能顯著提高復合材料高溫性能。在200℃高溫下，當碳納米管加入量為1.2%時，抗拉強度和延伸率同時達到最大值，分別為121.11MPa和9.52%相對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，會因團聚而影響復合效果，從而導致復合材料高溫性能下降。

（3）在高溫下，復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鎂基復合材料的力學性能研究[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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1673-0038（2015）20-0179-01

2015-4-26