碳納米管改性鋁合金制備工藝研究進展

宋 篪

引言

傳統鋁合金具有低密度、高延展性以及優異的耐蝕性等突出的性能，廣泛應用于國民經濟建設的各個領域。但鋁合金強度低的天然缺陷限制了鋁合金的進一步應用，有研究表明以鋁合金材料作為基體，添加納米增強材料則可以制備出性能優異的鋁合金復合材料，常見的納米改性材料有 SiC 納米顆粒和碳納米管，其中尤其以碳納米管的研究最為普遍，截至目前在實驗室和工業界已開發出多種碳納米管與鋁合金的混合制備工藝。本文總結了碳納米管改性鋁合金的制備工藝，指出了各制備工藝存在的缺陷，并展望了制備工藝的發展方向，用以制備出更高性能的鋁合金材料，拓展鋁合金在工業領域的應用范圍。

1 碳納米管改性鋁合金制備工藝

1.1 粉末燒結工藝

粉末燒結工藝通常利用微米級或納米級的復合粉體，在高能燒結系統中將粉體重熔燒結，制備的復合材料呈現出優異的綜合性能，而這些性能是用傳統的熔鑄方法無法獲得的，因此，粉末燒結工藝廣泛的應用于制備特殊的高性能材料，其具體工藝流程為：將顆粒度為微納米級的粉體按照一定的配比物理混合，通過球磨機等高能物理混合設備將混合體充分攪拌融合，使得納米粉體和基體材料互相擴散均勻，按照制備材料的不同將混合粉體放入不同模具中進行壓縮，利用壓縮產生的巨大壓力將粉體壓縮成塊狀，然后放入高能燒結爐中進行燒結，此時基體處于熔融狀態，納米粉體可以均勻的擴散融入到基體中，制備出高性能的復合材料。有研究者利用粉末燒結工藝研究了碳納米管對純鋁性能的影響規律，結果表明，用高能燒結系統制備的純鋁復合材料的抗拉強度和延展性顯著提升，增強機理可以解釋為高溫燒結環境促進了碳納米管和純鋁的界面融合。

1.2 攪熔鑄造工藝

攪熔鑄造工藝是一種新型鑄造工藝，采用機械攪拌來改變金屬液的流動狀態，并通過機械作用使得金屬液發生塑性變形，從而達到精準鑄造的目的，攪熔鑄造工藝能夠有效的減少鑄造缺陷和氣孔，并提高鑄件的機械性能，尤其適用于制造高性能的復合材料。有研究者利用該方法制備了碳納米管增強鋁合金，工藝流程如下：首先在坩堝中將鋁粉加熱至熔融狀態，接著把高長徑比碳納米管逐漸摻入到熔融的鋁液中，利用攪拌器的高速旋轉作用將碳納米管充分分散在鋁熔體中，利用該工藝制備的鋁合金其抗拉強度提高90%，延展性提升85%。

1.3 高速摩擦工藝

高速摩擦工藝的原理是利用高硬度鉆頭和鋁基體摩擦生熱將鋁融化，在熔融狀態下與碳納米管進行混合制備復合材料。趙霞等人開發新型的高速摩擦設備并對該工藝進行了深入研究，首先用鉆頭在純鋁基板上打孔，將碳納米管粉末裝入孔中，并將粉末壓制成型，然后將預制好的試樣放在高速摩擦設備上，加載壓力并高速旋轉鉆頭，使得試樣在鉆頭的高速摩擦下產生塑性變形，從而將碳納米管融入到鋁基體內部，鉆頭的高速旋轉可以促進碳納米管的分散，有助于界面處C-Al 鍵的形成，經此工藝制備的鋁合金復合材料的抗拉強度增加2 倍。

1.4 高壓鍛造工藝

高壓鍛造工藝是一種新型的制備高強度鋁合金的工藝，其原理是利用超高壓力鍛造和熱處理將碳納米管融入到鋁基體中，實現兩者界面強度的提升，其中最具代表性的是疊層夾心技術。該工藝流程如下：以純鋁板為底板，在上面鋪敷一層碳納米管，然后再放置一層純鋁板，按照上述方式交替進行操作，總的疊加層數控制在4 層，然后用超高壓力鍛造成整體，進入熱處理工序，利用高溫作用使各層之間相互融合。有學者深入研究了該工藝方法并對制備的改性鋁合金性能進行了測試，結果表明，超高壓力鍛造使得碳納米管和純鋁界面晶格發生畸變，從而提升了鋁合金的抗拉強度。

2 制備工藝面臨的主要問題

上述各種工藝制備的鋁合金的性能均可以實現大幅度的提升，但也存在制備工藝復雜不易操作，制作成本高等缺點，其主要問題集中在以下四個方面：

(1) 由于碳納米管的管徑屬于納米級，與鋁基體的微觀尺寸存在較大差異，其與鋁合金基體的潤濕性較差，與鋁基體結合時難以完全浸潤，導致C-Al 難以形成穩定的界面。另外，碳納米管與鋁的密度相差太大，導致其在熔融的鋁液中難以流動，分散性不好，勢必造成在鋁合金凝固過程中碳納米管的團聚，無法充分發揮碳納米管的增強作用。

(2) 性能優異的碳納米管通常都具有較高的表面能，這導致單個碳納米管之間存在較強的范德華力，從而導致碳納米管發生團聚。當施加外力攪拌進行混合時，往往不能克服這種自身結合的作用力，從而不能將外力均勻的施加在碳納米管上，導致出現應力集中現象。

(3) 攪熔鑄造工藝、高速摩擦工藝和高壓鍛造工藝中需要進行球磨或高速摩擦等處理，如果工藝流程控制不當則會造成碳納米管損傷，損傷后的碳納米管性能往往會降低，其增強作用徹底消失，從而演變成了鋁合金中的雜質，對鋁合金整體性能造成影響。

(4) 由于制備工藝流程復雜，涉及到各種參數的控制，如采用高壓鍛造工藝制備鋁合金時，如果不能精確控制在純鋁板上鋪敷的碳納米管厚度，則會造成碳納米管團聚，從而降低增強作用，另外對于鍛壓時間的控制也會影響界面結合的強度。

3 制備方法的發展方向

在所有的碳納米管改性鋁合金的制備工藝中出現的共性問題是納米材料的分散性、潤濕性、自身損傷和工藝參數控制等，對于上述問題各國研究者進行了大量的研究工作。其基本思想是通過外加能量輸入的方式阻止碳納米管的團聚，保持碳納米管的納米尺寸，從而增強其分散性；還可以通過加入SiC 納米顆粒的方式促進碳納米管的分散，這是由于SiC 顆粒的高硬度特性可以減少碳納米管自身的損傷，同時能夠消除鋁合金粉體表面的氧化膜，增加碳鋁界面的融合。另外，利用有機物高分子分別對碳納米管和鋁合金粉末進行修飾，改善界面結合方式，也會增加碳納米管的分散程度。從控制工藝參數的角度，比如優化粉末冶金工藝，改變粉末的存在狀態，將球狀改為片狀，增大復合材料粒徑，并且改變碳納米管的排列維度，從而增加了碳納米管與鋁基體界面接觸面積，也可以解決碳納米管分散性不佳的問題。為了解決碳納米管的潤濕性差的問題，可以通過在碳納米管上鍍鎳、銅層的方式，改善微觀接觸機理，降低鋁基材料與碳材料之間的接觸角，促進Al-C 共價鍵的形成。

4 結論

利用粉末燒結工藝、攪熔鑄造工藝、高速摩擦工藝和高壓鍛造工藝等制備的碳納米管增強鋁合金的綜合性能顯著提升，但工藝制備方法中也存在分散性、潤濕性、自身損傷和工藝參數控制等難點，加入SiC 納米顆?？梢燥@著改善碳納米管的分散性，有機高分子和工藝參數的控制也會對分散性有一定的促進作用，在碳納米管上施加金屬鍍層則可以解決復合材料潤濕性差的問題。雖然各種制備工藝還無法工業化應用，但隨著研究的深入，必將能制備出更高性能的鋁合金材料，拓展鋁合金在工業領域的應用范圍。