鋁基碳納米管增強復合材料的動態力學行為及應變率效應

王敏潔，沈將華?，陳 彪，近藤勝義，李玉龍

(1.西北工業大學 航空學院，西安710072；2.陜西省沖擊動力學及工程應用重點實驗室，西安710072； 3.西北工業大學 材料學院，西安710072；4.大阪大學 接合科學研究所，日本大阪茨木567-0047； 5.西北工業大學 民航學院，西安710072)

金屬基復合材料(MMCs)具有比強度和比模量高、熱膨脹系數低、耐高溫及耐疲勞性等優點，在航空航天和交通運輸等領域有著廣泛的應用前景。自1991年首次用透射電鏡發現碳納米管(CNTs)以來[1]，因強度高(最高約為100 GPa)、彈性模量高(最高約為1 TPa)、導熱導電性良好及熱膨脹系數較低等特性[2]，引發了科學界的研究熱潮并成為金屬基復合材料中最理想的增強相之一。鋁合金因密度小和強度高已被廣泛應用于航空航天及交通運輸等領域。然而，隨著工業的發展，對材料的比強度和比剛度等力學性能提出了更高的要求，研究者們期望能通過在金屬材料中摻雜增強相的方式提升材料的力學性能。作為理想的強化相，CNTs被摻雜到鋁合金中以獲得高性能鋁基復合材料。1998年，Kuzumaki等[3]首次將多層管壁碳納米管(MWCNTs)添加到鋁基復合材料中，揭開了CNTs增強金屬基復合材料研究的序幕。目前，國內外對鋁基碳納米管增強復合材料(CNTs/Al)的研究主要集中在材料的制備過程、微觀結構及靜態力學行為和微觀強化機制上。如，上海交通大學Wei等[4-5]參考貝殼等生物材料設計了多尺度復合構型，通過工藝控制制造了性質優異的CNTs/Al疊層復合材料，并深入研究了靜態加載下的微觀變形機理；西安理工大學Zhang等[6]和西北工業大學Chen等[7]結合微觀表征對利用傳統粉末冶金制備的CNTs/Al的增強機制進行了分析；科學院金屬研究所Liu等[8-9]利用粉末冶金與后續攪拌摩擦加工(FSP)相結合的方法制備了CNTs/2009Al復合材料，并著重探討了加工過程中微觀結構的變化對材料靜態力學性能的影響等。

另一方面，航空航天飛行器、汽車及軌道交通工具等在服役過程中，會不可避免地遭遇可預知和不可預知的沖擊載荷作用，如飛行器著陸、空間碎片撞擊、鳥撞及車輛碰撞等。作為以上述領域為應用背景的結構材料，鋁基復合材料在動態載荷下的力學行為和變形失效機制是確保相應結構件安全服役的關鍵。然而，目前對CNTs/Al動態加載下的研究還非常欠缺。據了解， Habibi等[10]對混雜1%Al-CNTs/Mg材料在靜動態加載下的力學行為和微觀變形機制進行了研究，發現該材料具有明顯的應變率效應； Yang等[11]研究了CNTs/Al 泡沫復合材料在靜動態壓縮下的力學行為，發現CNTs/Al泡沫復合材料的壓縮強度與能量吸收均隨CNTs含量和應變率的增加而增加，且具有很強的率敏感性； Zhao等[12]對石墨烯(GNP)增強鋁基層狀復合材料進行了微柱壓縮實驗，結果表明，GNP增強效率隨著應變率升高而增加； Wang等[13]對CNTs/Al的動靜態拉伸性能進行了分析，加入發現CNTs不但提高了材料強度，還增加了材料的應變率效應,但該材料在動靜態加載的拉壓力學性能的對比卻很少見報道。

因此，本文利用電子萬能實驗機和Hopkinson桿加載系統對碳納米管質量分數為1%的CNTs/Al進行了動靜態拉壓力學性能測試，并分析了不同加載條件下的力學行為機制及CNTs摻雜對應變率效應和應變硬化的影響。

1材料與實驗

1.1材料制備與微觀表征

實驗試樣以純度為99.9%的純鋁粉末和多壁碳納米管(MWCNTs)為原始材料，通過粉末冶金方法制備而成。首先，將純鋁粉末與ω=1% 的MWCNTs混合粉末球磨4 h；隨后，對混合粉末進行等離子燒結和熱擠壓，得到直徑為7 mm的棒狀材料。為進行對比，純鋁試樣的制備亦采用相同工藝路徑，具體工藝參數見文獻[14]。球磨后的純鋁粉末、純鋁與CNTs混合粉末的形態由掃描電子顯微鏡(SEM)觀察得到；擠壓態試樣的微觀結構由透射電鏡(TEM)觀察得到，包括CNTs形態、尺寸及在基體中的分布；試樣的晶粒尺寸則由電子背散射衍射(EBSD)技術分析得到。

1.2力學實驗方法

準靜態和動態壓縮力學性能測試實驗均使用尺寸為Φ5 mm×5 mm的試樣。靜態拉伸試樣標距段尺寸為Φ3 mm×15 mm；動態拉伸試樣標距段尺寸為Φ3 mm×5 mm；所有試樣的加載方向與擠壓方向相同。試樣的靜態加載通過電子萬能試驗機進行，實驗過程中采取壓頭速度控制實現約5×10-4s-1的應變率加載。動態加載采用分離式Hopkinson壓桿和拉桿，真實應變率控制在2 300 s-1左右。根據1維彈性應力波理論，試樣的應力、應變與加載應變率之間的關系可表示為[15]

(1)

(2)

(3)

其中，εR，εT分別為反射應變脈沖和透射應變脈沖，二者均通過應變片測得；C0、E和A分別為加載桿的縱向彈性波波速、彈性模量及試樣的橫截面積；ls,As分別為試樣長度和試樣標距段的橫截面積。

2實驗結果

2.1材料微觀表征

圖1為CNTs/Al的TEM表征圖。由EBSD分析結果可知，擠壓態純鋁與CNTs/Al平均晶粒尺寸分別為1.96 μm和1.54 μm。與純鋁相比，CNTs/Al的晶粒尺寸進一步減小，表明CNTs有細化晶粒的作用。通過對球磨后的純鋁與CNTs混合粉末進行SEM觀察發現，對CNTs進行高能分散時，也會使CNTs發生斷裂，長度變短，統計可知CNTs平均長度和長徑比分別為324 nm和25。另一方面，通過大量TEM實驗觀察可見，CNTs大致平行于擠壓方向；雖然CNTs仍主要集中分布于晶粒邊界，如圖1(a)所示，但也有部分分散于晶粒內部，如圖1(b)所示，表明高能球磨對CNTs的分散有良好的效果。

(a)CNTs distributed in the grain boundaries

(b)CNTs distributed in the grains

2.2材料的力學性能

圖2為球磨純鋁及CNTs/Al動靜態應力-應變曲線。壓縮實驗中，所有材料均為均勻變形且未觀測到裂紋和失效。在動態壓縮下，材料所達到的最大應變受入射波脈沖寬度控制，為方便對比觀察，截取30%真實應變之前的應力-應變曲線；靜態壓縮加載到真實應變為30%后進行卸載。

(a)Compression

(b)Tension

由圖2可見，添加CNTs顯著提升了純鋁材料的強度；另外，對比準靜態和動態加載實驗結果可見，無論是壓縮還是拉伸條件下，純鋁和CNTs/Al均表現出明顯的應變率效應，即試樣的動態強度遠高于準靜態強度且2種材料的拉伸斷裂應變隨應變率提高而大幅增加。由圖2(b)可見，除強度和拉伸斷裂應變外，純鋁與CNTs/Al在動態加載條件下具有更強的應變硬化能力。

圖3為球磨純鋁及CNTs/Al動態加載下的斷裂圖。

(a)Pure Al

(b)CNTs/Al

由圖3(a)可見，高速攝影可觀察到動態加載下純鋁仍具有非常顯著的頸縮現象；由圖3(b)可見，CNTs/Al則更多表現出均勻變形而無明顯頸縮的跡象。實驗結果表明，摻雜CNTs改變了材料的變形失效或斷裂機制。

3討論

3.1增強機制討論

由于CNTs的加入，CNTs/Al動靜態加載下的拉壓強度均有了顯著提高。但由于金屬基復合材料的組分較復雜，CNTs/Al中可能存在的增強機制，包括晶粒細化增強、CNTs引起的位錯機制增強和CNTs載荷轉移增強等。

材料制備過程中高能球磨導致晶粒細化，同時分布于基體中的CNTs阻礙晶粒長大，也起到了細化晶粒的作用；細晶材料具有較大的晶界面積來阻礙位錯運動，導致材料屈服強度的增加[16]。圖4為CNTs/Al復合材料動態拉伸加載后微觀表征。由圖4(a)和圖4(b)可見，CNTs屬于納米增強相，材料制備過程中經高能球磨長度又顯著縮短，拉伸試樣斷后CNTs-Al界面處存在大量位錯，故CNTs引起的位錯增強不可忽略。此外，由于CNTs與基體彈性模量不同，在受到載荷作用時，為保持在界面處的應變協調，載荷從基體向CNTs進行傳遞，使CNTs承擔更大的載荷，造成復合材料強度的提高。在斷口表征中發現拔出的CNTs證實了這一機制的存在，如圖4(c)所示。Chen等[7]曾通過原位觀測證實了CNTs/Al中CNTs的載荷傳遞機制。由于CNTs優異的力學性能，載荷轉移機制無疑是最理想的增強機制，但由于材料制備復雜，CNTs/Al的強化實則是多種強化機制相互作用的結果。

(b)Inverse FFT of boxed areas in CNTs-Al interface

(c)CNTs pull out

3.2應變率效應討論

為定量計算純鋁及CNTs/Al復合材料在動靜態加載下的強度變化，定義動態加載下材料的流動應力增強率為[17]

R=(σd-σq)/σq

(4)

其中，σd，σq分別為動態和準靜態下材料的流動應力值，從一定程度上可表征應變率效應。

表1列出了塑性應變為3%和7%時，純鋁及CNTs/Al在動準靜態拉伸和壓縮載荷下的流動應力及增強率。對于同一種材料，無論是拉伸還是壓縮加載，動態下的應力值均明顯高于準靜態下的值，表現出顯著的應變率效應。由此推斷CNTs/Al的應變率敏感性與基體純鋁的應變率敏感性相關，這與文獻[18]中顆粒增強鋁基復合材料的應變率敏感性來源于基體合金的觀點相一致。對于壓縮加載，與純鋁相比，CNTs/Al在不同塑性應變處的增強率有降低趨勢；而對于拉伸加載，CNTs/Al的增強率略高于純鋁，與壓縮加載相反。

表1 塑性應變為3%和7%時，純鋁及CNTs/Al在動準 靜態拉伸和壓縮載荷下的流動應力及增強率Tab.1 Flow stress and enhancement rate of pure Al and CNTs/Al at 3% and 7% plastic strain

近年來，關于普通顆粒及纖維增強金屬基復合材料率敏感性已開展了大量研究，普遍認為增強相對基體塑性流動的限制及變形過程中增強相周圍的高位錯累積速率導致了復合材料應變率敏感性高于基體[18]，然而，本文中CNTs/Al的應變率敏感性在拉伸加載下有所增強，但在壓縮加載下卻被削弱。實際上，CNTs/Al的應變率敏感性是基體、增強相、界面及破壞模式共同作用的結果。CNTs在拉壓加載下的受力狀態與變形模式會影響界面處應力狀態，進而影響CNTs/Al在拉壓加載下的應變率敏感性。在CNTs/Al中，大部分CNTs近似平行于擠壓方向，在拉伸時CNTs與Al基質主要通過界面剪切力來進行載荷的傳遞；當CNTs/Al承受壓縮載荷時，因CNTs長徑比高達25，極易發生屈曲現象，此時，界面周圍實則是以壓縮和剪切為主的混合應力狀態。Silvestre等[19]曾利用分子動力學方法模擬了CNTs/Al在靜態壓縮加載下的力學行為，發現CNTs會隨著應變不斷加大出現不同程度的屈曲和扭折，證實了該現象發生的可能性。因此，由拉壓受載導致的CNTs承載方式改變，必然引起材料應變率敏感性隨著拉壓載荷方式的不同而有所區別。此外，增強相本身也具有應變率敏感性，研究結果表明CNTs具有應變率敏感性且強度隨應變率的增加而增加[20]。因此，在拉壓加載下，與金屬基體的應變率敏感性耦合作用勢必也會影響金屬基復合材料最終的應變率敏感性。但對于后者，目前仍缺乏有力的量化方法，亟待開展進一步研究。

3.3應變硬化討論

由圖2還可見，盡管高應變率加載時絕熱效應會引起一定程度的熱軟化，但材料的應變硬化能力均較靜態加載顯著提高，動態拉伸加載下的失效應變也較靜態增大。普遍認為，材料的應變硬化能力與塑性變形過程中的位錯動態回復速率有關，位錯動態回復速率與溫度和應變率關系可表示為[21]

(5)

4結論

本文通過對純鋁和CNTs/Al進行動靜態拉壓力學性能測試，得到：

1)微觀表征發現添加CNTs細化了晶粒,加載后的CNTs-Al界面存在大量位錯，且在拉伸試樣斷口中發現了拔出的CNTs，表明晶界強化、位錯強化和載荷傳遞機制是CNTs/Al的主要強化機制。

2)CNTs/Al具有顯著的應變率效應；與純鋁相比，摻雜CNTs增加了鋁基復合材料在拉伸加載下的應變率強化效應，與壓縮加載下略有不同，分析認為與CNTs在不同加載狀態下的受力狀態及應力模式有關。

3)純鋁與CNTs/Al在高應變率下的應變硬化能力顯著提高，且動態拉伸下的拉伸斷裂應變均高于靜態值，分析認為與高應變率下位錯動態恢復被抑制有關。