多壁碳納米管在鋁粉中的分散性研究

張新凱

摘 要：本論文研究了多壁碳納米管和Al粉的混合粉球磨制備納米級混合粉末的工藝過程，Al粉為基體材料，增強相為多壁碳納米管。結果表明，在其他實驗參數相同的條件下，球磨機轉速和球磨時間對鋁基復合材料的顆粒組織形貌及性能影響很大，并對其組織相貌進行了了研究，從圖象對比中得到結論。

關鍵詞：球磨時間；球磨轉速；多壁碳納米管和Al粉；混合粉末

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.004

1 課題的背景和意義

鋁基復合材料是以金屬鋁及其合金為基體，以金屬或非金屬顆粒、晶須或纖維為增強相的非均質混合物。鋁基復合材料具有比強度、比剛度高，疲勞強度高，耐磨性能好，且復合工藝相對簡單、靈活多樣等優點，在金屬基復合材料中占主導地位。

采用不同的增強體制備復合材料時，制備的工藝方法有所不同，下面從增強體的角度介紹各種鋁基復合材料的制備方法。顆粒增強鋁基復合材料的制備方法各有千秋，實際應用時，可根據材料的性能要求及設備條件選擇適宜的制備方法。

2 實驗方法

2.1 實驗材料和設備

2.1.1 主要實驗材料

實驗中所用的基體材料為商業用純鋁粉，純度為99%上。增強相為深圳市納米港有限公司生產的多壁碳納米管，直徑為60-100nm。

2.1.2 實驗儀器

（1）電子秤，用于準確稱量鋁粉和多壁碳納米管的質量。

（2）球磨機，球磨機是南京大學儀器廠生產的QM-1SP4-cl型行星式球磨機。

（3）飛利浦公司生產的FEI siron 200掃描電鏡（SEM），用于觀察混合粉末顆粒組織形貌，以便進行分析和研究，從而得到實驗結果和結論。

2.2 實驗方案

2.2.1 實驗前的準備

在球磨過程中使用的是瑪瑙磨球，先刷洗球磨罐，然后風干，以備球磨時沒有雜質。

2.2.2 實驗方案

本次試驗為增加球磨時間不同和轉速不同的對比性，而更加明顯的得到實驗結論，采用了兩個方案。

方案一：用電子秤量取多壁碳納米管0.2g，Al粉5g，倒入球磨罐中混合。把球磨罐安裝到球磨機上，開啟電源，開始對多壁碳納米管和Al粉混臺粉末進行機械球磨。設定球磨機轉速300r/min，每10min換向一次。30min后取一次樣，2h后取一次樣，設定的最長球磨時間就為2h。球磨時要注意安全事項和實驗操作方法及步驟。

方案二：用電子秤量取多壁碳納米管0.2g，Al粉5g，倒入球磨罐中混合。把球磨罐安裝到球磨機上，開啟電源，開始對多壁碳納米管和Al粉混臺粉末進行機械球磨。設定球磨機轉速400r/min，每10min換向一次。30min后取一次樣，2h后取一次樣，設定的最長球磨時間就為2h。球磨時也要注意安全事項和實驗操作方法及步驟。

兩個實驗方案結束后，球磨得到四個實驗試樣，分別為：

（1）MN 多壁碳納米管+Al粉，球磨轉速300r/min，球磨時間30min；

（2）MN 多壁碳納米管+Al粉，球磨轉速300r/min，球磨時間2h；

（3）MN 多壁碳納米管+Al粉，球磨轉速400r/min，球磨時間30min；

（4）MN 多壁碳納米管+Al粉，球磨轉速400r/min，球磨時間2h。

3 實驗結果及討論

3.1 四種試樣的20000倍SEM組織形貌比較

3.1.1 試樣1和試樣2的20000倍SEM組織形貌比較

從圖像中可明顯地觀察到，球磨轉速在300rpm下球磨2h后的多壁碳納米管和Al粉混臺粉的顆粒組織混合均勻，表面比較光滑，說明碳管已大部分進入鋁粉顆粒，混合比較均勻，而球磨轉速在300rpm下球磨30min后的多壁碳納米管和Al粉混合粉顆粒表面，并未和鋁粉完全混合，這說明球磨時間的延長可使顆粒組織混合均勻。

3.1.2 試樣3和試樣4的20000倍SEM組織形貌比較

從圖像中可明顯地觀察到，球磨轉速在400rpm下球磨2h后的多壁碳納米管和Al粉混臺粉的20000倍SEM組織中的混合粉末的顆粒組織混合情況要好得多，說明碳管已大部分進入鋁粉顆粒，混合比較均勻，而球磨轉速在400rpm下球磨30min后的多壁碳納米管和Al粉混臺粉的20000倍SEM倍形貌組織中碳管大部分在鋁粉顆粒表面，而且聚集在一起，并未和鋁粉完全混合均勻，這說明球磨時間的延長可使顆粒組織均勻的分散度增加。

3.1.3 四種試樣的共同比較

球磨轉速在400rpm下，相同球磨時間作比較，不論是顆粒的細化程度，還是顆粒的混合的均勻分散程度，都要比在300rpm下要好得多。可見在高球磨轉速和長球磨時間下，對多壁碳納米管和Al粉的混合粉末的細化程度和均勻程度會提高很多。

3.2 小結

通過圖像對比，可知，在球磨轉速相同的情況下，球磨時間越長，多壁碳納米管和Al粉的混合粉末的組織顆粒就越小，混合的就越均勻；在球磨時間相同的情況下，轉速越高，多壁碳納米管和Al粉的混合粉末的組織顆粒就越小，混合的就越均勻。但在低球磨轉速下，球磨時間的增加會促進顆粒細化和混合均勻，但球磨效果依然不好。所以在高球磨轉速和長球磨時間下，對多壁碳納米管和Al粉的混合粉末的細化程度和均勻程度會提高很多。由此，要想研究多壁碳納米管在Al粉中的分散性，球磨時間和球磨轉速對其研究結果影響很大。

4 結論

通過本次不同球磨時間以及球磨轉速對多壁碳納米管和Al粉的混合粉末在球磨后的顆粒大小和分散程度的實驗，得知球磨條件對多壁碳納米管和Al粉的混合粉末的粒度影響很大。

得到的結論如下：對于多壁碳納米管和Al粉的混合粉末，隨著球磨時間的延長和球磨轉速的提高，顆粒直徑尺寸減小，可容易制得組織顆粒小、分布均勻的混合粉末。

所以對于一定的多壁碳納米管和Al粉的混合粉，在機械球磨過程中用不同的球磨時間和球磨轉速對鋁基復合材料顆粒的均勻分布有著重要影響。球磨轉速越高，球磨時間越長，對多壁碳納米管在Al粉中的分散程度越高，即組織顆粒越小，混合越均勻。

參考文獻：

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