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(qiáng)相為多壁碳納米管。結(jié)果表明，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同的條件下，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和球磨時間對鋁基復(fù)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(jìn)行了了研究，從圖象對比中得到結(jié)論。

關(guān)鍵詞：球磨時間；球磨轉(zhuǎn)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(fù)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(qiáng)相的非均質(zhì)混合物。鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高，疲勞強(qiáng)度高，耐磨性能好，且復(fù)合工藝相對簡單、靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，在金屬基復(fù)合材料中占主導(dǎo)地位。

采用不同的增強(qiáng)體制備復(fù)合材料時，制備的工藝方法有所不同，下面從增強(qiáng)體的角度介紹各種鋁基復(fù)合材料的制備方法。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法各有千秋，實(shí)際應(yīng)用時，可根據(jù)材料的性能要求及設(shè)備條件選擇適宜的制備方法。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

2.1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用的基體材料為商業(yè)用純鋁粉，純度為99%上。增強(qiáng)相為深圳市納米港有限公司生產(chǎn)的多壁碳納米管，直徑為60-100nm。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

（1）電子秤，用于準(zhǔn)確稱量鋁粉和多壁碳納米管的質(zhì)量。

（2）球磨機(jī)，球磨機(jī)是南京大學(xué)儀器廠生產(chǎn)的QM-1SP4-cl型行星式球磨機(jī)。

（3）飛利浦公司生產(chǎn)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(jìn)行分析和研究，從而得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

在球磨過程中使用的是瑪瑙磨球，先刷洗球磨罐，然后風(fēng)干，以備球磨時沒有雜質(zhì)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)為增加球磨時間不同和轉(zhuǎn)速不同的對比性，而更加明顯的得到實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)上，開啟電源，開始對多壁碳納米管和Al粉混臺粉末進(jìn)行機(jī)械球磨。設(shè)定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速300r/min，每10min換向一次。30min后取一次樣，2h后取一次樣，設(shè)定的最長球磨時間就為2h。球磨時要注意安全事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)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(jī)上，開啟電源，開始對多壁碳納米管和Al粉混臺粉末進(jìn)行機(jī)械球磨。設(shè)定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速400r/min，每10min換向一次。30min后取一次樣，2h后取一次樣，設(shè)定的最長球磨時間就為2h。球磨時也要注意安全事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)操作方法及步驟。

兩個實(shí)驗(yàn)方案結(jié)束后，球磨得到四個實(shí)驗(yàn)試樣，分別為：

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

（2）MN 多壁碳納米管+Al粉，球磨轉(zhuǎn)速300r/min，球磨時間2h；

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

（4）MN 多壁碳納米管+Al粉，球磨轉(zhuǎn)速400r/min，球磨時間2h。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)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(jìn)入鋁粉顆粒，混合比較均勻，而球磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)入鋁粉顆粒，混合比較均勻，而球磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速在400rpm下，相同球磨時間作比較，不論是顆粒的細(xì)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(zhuǎn)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(xì)化程度和均勻程度會提高很多。

3.2 小結(jié)

通過圖像對比，可知，在球磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，球磨時間的增加會促進(jìn)顆粒細(xì)化和混合均勻，但球磨效果依然不好。所以在高球磨轉(zhuǎn)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(xì)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(zhuǎn)速對其研究結(jié)果影響很大。

4 結(jié)論

通過本次不同球磨時間以及球磨轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)，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(jié)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(zhuǎn)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(jī)械球磨過程中用不同的球磨時間和球磨轉(zhuǎn)速對鋁基復(fù)合材料顆粒的均勻分布有著重要影響。球磨轉(zhuǎn)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(xiàn)：

[1]許世拯.復(fù)合材料概論[Z].大連鐵道學(xué)院圖書館，1986.

[2]樊云昌，崔鳳書，姜稚清.鋁基復(fù)合材料及其在機(jī)車車輛上的應(yīng)用[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，1996，9（04）：25-29.