體育器材用CNT/2024Al復合材料的制備及性能研究

楊 磊

(西安醫學院, 陜西西安710021)

近年來，隨著設備制造、交通運輸、體育器材、能源等工業領域的飛速發展，傳統的金屬材料已經越來越難以滿足日益苛刻的要求，對新型材料需求越來越旺盛[1]，其中輕質、高強、高可加工性新材料更是受到了體育行業的青睞[2]。Al 基復合材料擁有高比強度、高比模量、低熱膨脹系數和良好的導熱、高阻尼性能以及熱學性能穩定等獨特的優勢，不僅可以滿足現代民生工業的需求，也是國防、航空、航天等高技術領域不可缺少的關鍵結構材料和功能材料[3]。因此，開展Al 基復合材料的研究，對提高我國的體育器材及民生工業水平都具有重要的戰略意義和經濟價值[4]。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

實驗材料選擇霧化法制備的球形Al 粉，其平均直徑約為13μm，純度為99.5%。CNT 為多壁碳納米管，直徑為30 nm～50 nm，長度大于10μm。試驗制備的復合材料以2024Al 為基體，具體化學成分：Cu 占比4.5%，Mg 占1.5%，其余成分為Al?；瘜W鍍Cu 后的CNT、未經處理的 CNT、Al 粉、Cu 粉、Mg 粉[5]。

1.2 實驗過程

為使Al 粉獲得較大比表面積，從而增加CNT 與Al粉表面接觸機率，有利于CNT 的分散使用設備為1SP-12型行星式球磨機，具體操作是先將粒徑約為13μm 的Al粉放入球磨罐中，球料比約為10:1，轉速約為400r/min，球磨2h，為了避免發生嚴重的冷焊現象同時加入1.5%的硬脂酸[6]。

將0%、1%、2%、3%（質量分數）的CNT、上述Al 粉和Mg 粉以2024Al 為基體粗混后進行球磨混料，其中Cu 元素已經按比例涂覆到CNT 表面，無需另外添加?；炝显O備為行星式研磨機，為了避免冷焊加入0.5%的硬脂酸，球磨4h，球料比為10:1，轉速為大約150r/min。

最后利用粉末冶金法制備CNT/2024Al 復合材料。首先將爐內真空抽到5×10-2Pa。溫度從室溫升溫到400℃，然后保溫1h，這步操作的目的是為了讓球磨和混料過程中的硬脂酸得到充分揮發。繼續升溫到540℃，保溫20min 后用千斤頂加壓至理論高度，保溫1h 后爐冷，退掉模具，進行熱鍛壓處理變成約Φ90mm×90mm 的餅狀，鍛壓比約為4:1，熱鍛的方法能改善材料的組織和力學性能，消除氣孔、縮孔等缺陷[7]。

1.3 CNT/2024Al 復合材料的制備

經過球磨Al 粉、球磨混合粉末、冷壓、熱壓、熱鍛、固溶處理、時效處理七個階段制備出7 種不同質量分數的CNT/2024Al 復合材料。為描述方便把經化學鍍Cu 的CNT 標注為Cu@CNT，樣品編號列表見表1[8]。

表1 樣品編號Table 1 The number of specimen

2 結果與討論

2.1 球磨后粉末的形貌變化

圖1 為原始Al 粉末和轉速為400r/min、球磨2h 后Al 粉的SEM 掃描圖片。如圖1(a) 所示，經統計試驗提供的噴霧法制備的原始Al 粉末粒徑＜13μm；如圖1(b)所示，經過高能球磨處理后，在磨球的剪切作用下很大一部分Al 粉塑性變形發生微鍛顆粒已經變成扁平片狀，厚度變為亞微米級，Al 粉的體表面積大大增加了[9]。

圖1 Al 粉形貌:(a) 原始;(b)球磨后Fig. 1 The Al powder morphology: (a) original; (b) after ball milling

2.2 CNT/2024Al 復合材料的微觀結構觀察

圖2 (a)、(b)、(c) 分別是CNT 含量為1%、2%、3%復合材料的微觀結構，圖(d)、(e)、(f)是Cu@CNT 含量為1%、2%、3% 的2024Al 復合材料的微觀結構圖。由圖可知有關CNT 在復合材料中的分布情況: 當CNT 含量為1%、2%時，絕大多數的CNT 都嵌入晶粒內部中，并且在復合材料中呈現良好的分散性[10]，如圖2(a)、(b)、(d)、(e) 所示。當CNT 含量達到 3% 時，CNT 在復合材料中分散相比CNT 含量為1%、2% 時并不均勻，CNT出現比較嚴重的團聚，如圖2(c)、(f) 中箭頭所示。說明通過化學鍍Cu 和球磨方法制備的復合材料中CNT 只有在一定的范圍內才可以均勻分散在基體中，當超出了這個范圍CNT 就會發生團聚的情況，復合材料的力學性能提升并不明顯。

圖2 CNT/2024Al 和 Cu@CNT/2024Al 復合材料的 TEM 照片:無Cu 涂覆的CNT 的含量分別為(a)%、(b)2%和(c)3%；Cu@CNT 的含量分別為(d)1%、(e)2%和(f)3%Fig. 2 The TEM photos of CNT/2024Al and Cu@CNT/2024Al composites

圖3 所示為具有代表性的質量分數為2%CNT/2024Al 復合材料的的TEM 圖，其中（a）為未經過化學鍍處理的CNT/2024Al 復合材料，（b）為Cu@CNT/2024Al 復合材料。從圖中可以看到，CNT 的分布方向沿著擠壓變形方向的垂直方向，大部分分布在晶粒內部，少數的則分布在晶界處，這種分布可以使CNT 在拉伸過程中承受拉應力，體現了CNT 增強體的作用[11]。同時可看到復合材料基體中出現了少量的界面反應物Al4C3，如圖3（a）中所示，這是由于在球磨過程中CNT 表面遭到破壞從而與基體中的Al 粉發生了反應形成的脆性相，但是界面反應物Al4C3數量不多，對復合材料的性能影響很小。還發現有析出相Al2Cu，如圖3（b）中所示。

圖3 CNT 為2%的復合材料中CNT 的形貌TEM 圖Fig. 3 Morphology TEM diagram of CNT in composites with CNT of 2%

3 結論

采用球磨法對不同質量分數的CNT 與2024Al 粉末進行了混粉處理，用真空熱壓工藝制備了CNT/2024Al復合材料。對制備的復合材料進行了拉伸斷口SEM 和復合材料TEM 觀察。微觀組織觀察表明，質量分數為1%和2% 的CNT/2024Al 復合材料中CNT 都能夠均勻地分散到基體合金中。大部分CNT 均勻分散在晶粒內部，少部分在近晶界處，但是當CNT 質量分數為3% 時，在復合材料中CNT 的分布不再均勻，出現了比較明顯的團聚；在復合材料中發現的Al4C3脆性相并不多，所以對復合材料的性能影響不大。