碳纳米管/SiC混杂增强对Al-Mg合金线材的影响

黄显吞，李永锋，卿培林

（1.百色学院材料科学与工程学院，广西百色533000；2.广西强强碳素股份有限公司，广西平果531400）

碳纳米管/SiC混杂增强对Al-Mg合金线材的影响

黄显吞1，李永锋2，卿培林1

（1.百色学院材料科学与工程学院，广西百色533000；2.广西强强碳素股份有限公司，广西平果531400）

混杂复合材料由于各种增强材料不同性质的相互补充和弥补，特别是由于产生混杂效应将明显提高或改善原单一增强材料的某些性能和部分功能，同时也大大降低复合材料的原料费用。鉴于碳纳米管单相增强和SiC单相颗粒增强铝基复合材料均能有效改善Al-Mg合金丝线材料的性能，文章阐述了碳纳米管/SiC混杂增强Al-Mg合金材料等方面的应用及影响，提出今后的发展方向。

碳纳米管；SiC颗粒；Al-Mg合金；混杂增强

铝基复合材料由于具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数以及抗疲劳性强等一系列优良的品质与性能，特别是颗粒、短纤维与晶须等一系列非连续增强的铝基复合材料，因其具有非常良好的可再加工性和尺寸稳定性而及其备受人们广泛关注和青睐。而Al-M g合金线丝材料是以金属铝为基本原材料，其中主要添加元素为金属镁，主要采用铝锭、镁锭以及中间微量合金按照一定分配比例配制，制造工艺技术中主要采用铝镁合金丝线原材料经过熔炼、平引铸杆、第一次拉拔、退火、第二次拉拔以及第二次退火和第三次拉拔等几道常规工序制造并生产成铝镁合金丝线材。以此配比、设备及技术工艺生产而成的Al-M g合金丝线材具有可替代传统纯铜圆线产品作为芯线推广和使用的广阔应用前景，是现代正在兴起的宽带传输网络和通讯网络线缆的主要配套产品。

正因为如此，Al-M g合金丝线与传统纯铜圆线相比具有更大优势和特性，其内部成分组成与结构决定Al-M g合金丝线不但是目前最轻的金属构件材料，而且Al-M g合金丝线可编织性与屏蔽性强，通讯和保密安全系数高，抗拉压系数增强，极大拓宽和发展了Al-M g合金丝线的应用市场以及推广应用。鉴于碳纳米管和SiC颗粒各自均能增强并有效改善Al-M g合金材料的综合性能，那么，混杂复合材料由于各自增强材料不同性质的相互补充和互相促进，为此，文章主要介绍碳纳米管/SiC混杂增强对Al-M g合金丝线材性能的影响。

1 碳纳米管及SiC的特性

碳纳米管是著名日本科学家L i j i m a[1]在1991年发现的碳的同素异形体石墨、金刚石、巴基球和无定性碳这四种碳素异形体以后的第五种碳的同素异形体材料。由于碳纳米管具有很高的抗拉强度（达到150 G P a）、极高的弹性模量（可达1.8 T P a）以及低密度（仅为1.8 g/c m3）等传统材料所无法比拟的优异特性和品质，现在已经成为众多材料科学研究工作者关注和研究的耀眼焦点。经科学研究发现，碳纳米管是由单层或者多层六边形石墨片发生卷曲而成的两端呈闭合或打开结构状态的纳米级管状材料组成的几何无缝石墨管，碳纳米管中拥有大量交替存在的C=C双键和C-C单键，这些单双键使得它们相互之间形成共轭效应和反应，它们之间的化学键很难断裂或者被破坏掉，从而使碳纳米管具有很高的强度、极高的弹性模量（几乎跟金刚石的弹性模量相当）[2]。因此，碳纳米管强度大约是钢的100倍，弹性应变则约为钢的60倍，而密度只有钢的六分之一左右。而且，碳纳米材料的长径比一般都在1 000:1以上，这样使其不但具有良好的强度、弹性、抗疲劳性和各向同性，而且具有特殊而不可思议的电学性质，以致电导率可达铜的1万倍[3-4]。由于碳纳米管具有超强的力学性能和完美的一维结构状态，所以被看作是理想的轻量化结构Al-M g合金丝线材用增强、增韧和超导复合材料。

而SiC/Al复合材料不但具有较高的比强度、比刚度、弹性模量和低的热膨胀系数等一系列优良的物理性能，而且制作制造成本低。铝基复合材料的增强体主要有以SiC成分组成的纤维、晶须和颗粒这三种形式状态。早期研究SiC的单丝、纤维和晶须这三种增强体材料制造成本很高、价格昂贵；而SiC颗粒的成本低、价格低廉，能够在单向应力状态下，使铝基复合材料呈现良好的性能，并在二向、三向应力等方面状态下，SiC/Al复合材料将体现出更加良好的各向同性特点。正是因为SiC颗粒增强金属基复合材料克服了纤维和晶须增强复合材料成本高、价格昂贵以及生产工艺技术过程复杂等不足和缺点，因而在增强铝基复合材料以及Al-M g合金丝线材等技术领域方面得到广泛应用和推广。

2 混杂增强的研究意义

正是由于碳纳米管具有许多优异的力学、电学等物理性能和独特的化学性能，若能将碳纳米管与Al-M g合金丝材料有机结合起来，在基本的Al-M g合金丝材料的基体上充分发挥碳纳米管的各种性能优势，这样就将大大提高Al-M g合金丝材料的各种性能。而正因为碳纳米管拥有许多优异的性能，是非常理想的一维纳米增强、增韧和增导材料，一经发现就被视为很理想的Al-M g合金丝材料增强体。但是碳纳米管材料表面比较光滑，化学性质又相对稳定，若将碳纳米管材料直接与Al-M g合金丝材料混合和混杂，很难将它们有机结合在一起。而且碳纳米管与金属基体本身的润湿性较差，需要对其进行各种表面技术处理。所以，一些企业通常采用表面改性等技术方法既能保留原有优势性质又可以与其他材料地有机结合在一起，有效完善基体材料的各种性能，从而达到增强铝基复合材料以及Al-M g合金丝线材性能的目的。

同时，鉴于SiC单相颗粒增强和碳纳米管单相增强铝基复合材料均能非常有效改善Al-M g合金丝线材料的性能，那么混杂复合材料就由于各种增强材料之间不同性质的相互补充和促进，特别是由于它们之间产生混杂效应后将明显提高或改善原单一增强材料的某些性能或部分性能。例如，张恩霞等[5]研究了SiC含量对Z L102复合材料铸件性能的影响，发现在SiC体积分数低于12%时，复合材料的硬度随SiC含量的增加而增大。张静等[6]研究了SiC和Si混合颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响，研究发现在Al基体中添加Si后可有效抑制SiC颗粒与Al的界面反应，复合材料的热膨胀系数随Si含量的增加而降低。何昊等[7]研究了SiC颗粒表面处理后使SiC和Si混合颗粒增强Al-30Si复合材料的抗拉强度得到明显增大和提高。

3 混杂增强对Al-Mg合金材料的影响

为了能够在增强铝基复合材料以及Al-M g合金丝线材中形成良好的界面结合，其中要求增强材料与基体之间必须具有良好的浸润性，而其中对增强材料进行预处理是解决界面结合与界面反应问题的有效途径和方法。例如：Z h o n g等[8]将单壁碳纳米管与纳米铝复合材料进行结合，发现当碳纳米管的体积分数小于5.0%时，复合材料的硬度随碳纳米管含量的增加而线性上升；而且其中体积分数为5.0%碳纳米管和纳米铝复合增强效果最好，其硬度可达2.89 G P a，是粗晶铝的20倍。N o g u c h i等[9]将体积分数为1.6%的多壁碳纳米管与纯铝进行复合，研究发现体积分数为1.6%碳纳米管/铝复合材料的屈服强度是纯铝的7倍。由于碳纳米管与铝基体各自结构相差较大，当中不同制备方法和工艺对其力学性能产生较大的影响。例如：L a h a等[10]利用等离子喷涂方法制备碳纳米管增强Al-Si合金，当碳纳米管的质量分数为10%时，Al-Si合金的显微硬度有明显提高。许世娇等[11]采用粉末冶金的方法制备了C N T/Al复合材料，实验结果表明，当C N T体积分数为1.5%时，力学性能达到了最高值，屈服强度相对于纯Al基体提高了53.6%.

近年来，采用双相或多相颗粒混杂增强的铝基材料也已引起人们的极大重视。混杂复合材料由于各种增强材料不同性质的相互补充和弥补，特别是由于产生混杂效应将明显提高或改善原单一增强材料的某些性能，同时也能大大降低复合材料的原料费用。为此，赵德刚等[12]采用搅拌铸造和原位反应合成相结合的方法，制备了（T i B2+SiC）／Z L109复合材料，弥补了单一SiC颗粒强化的不足，其制备出的复合材料的硬度比基体提高34.8%.李忠华等[13]采用原位反应合成（T i B2+Al3T i）/A16Si4C u复合材料，其抗拉强度、硬度比铝合金基体分别提高20%和29.6%.由此可以明显看到，多相混杂增强铝基复合材料的研究必将成为下一步研究的热点。鉴于SiC单相颗粒增强铝基复合材料、碳纳米管单相增强铝基复合材料各自均能非常有效改善铝镁合金基体材料的基本性能，因而开展以碳纳米管/SiC混杂增强Al-M g合金材料的研究以及应用将是现代社会大势所趋的方向。

3 技术路线及制备方法

3.1 技术路线

开展以碳纳米管/SiC混杂增强Al-M g合金材料的研究以及应用应按图1所示技术路线与方法进行。

图1 技术路线图

3.2 制备方法

由于碳纳米管与基体铝镁之间的密度差异大，而且碳纳米管本身又具有巨大的表面积，当分散与复合时都存在较大难度。同时有害界面反应也会破坏碳纳米管结构，并生成脆性相，从而也不利于载荷的有效传递和传输。所以，目前主要有粉末冶金法[14]、等离子喷涂法[15]、原位化学气相沉积法[16]以及熔融浸渗法[17]等碳纳米管增强铝基复合材料的常用制备技术方法，其中，特别是以粉末冶金法的应用最为普遍和常规。但是作为需要间歇式制备技术工艺的压力烧结，其中所涉及和使用的设备非常昂贵，因此，现阶段难以形成批量化和连续化生产制备，极大严重制约碳纳米管增强铝基复合材料的规模化制备与应用。同时，要更进一步深化和优化以上方法将碳纳米管与SiC进行混杂以增强Al-M g合金材料。那么，探讨如何克服铝基复合材料突出的界面问题，并研究在制备过程如何通过热处理手段来改善Al-M g合金线材的各方面综合性能；深化如何利用由于热失配造成的内、外应力使材料均能服役于各种环境温度；解决如何避免原位反应中有其他副反应夹杂物存在等这些都是亟待研究解决的本行业制备工艺技术的突出问题。

4 结语

随着现代科学技术的快速进步与发展，有关碳纳米管/SiC混杂增强Al-M g合金丝线材的研究工作也将不断深入和完善，但对其强化机理认识尚不十分清楚。所以研究改变碳纳米管/SiC的成分配比，探讨不同成分配比时复合材料组织和性能的关系变化，建立碳纳米管/SiC配比-热处理工艺-析出相结构-材料性能之间的关系图谱；研究不同热处理工艺（加热温度、保温时间等）对复合材料性能的影响规律；进一步优化各种工艺参数，制备出综合性能优良的碳纳米管/SiC混杂增强铝基复合材料以及Al-M g合金丝线材料；建立并完善碳纳米管/SiC成分配比-热处理工艺方法-析出相结构分析-材料性能之间的图谱关系等微观强化将是今后研究重点，探索碳纳米管/SiC混杂增强铝镁合金丝线材料的混杂增强机理，为该类复合材料的推广应用提供依据和参考。

［1］ Lijima S.Helical microtubIes of graphitic carbon［J］.Nature，1991，354（15）:56-58.

［2］ Yu M F，Lourie O，Dyer M J，et a1.Strength and breaking mechanismof multi-walled carbon nanotubes under tensile load［J］.Science，2000，287（13）:637-640.

［3］Ghasemi-Nejhad，Mehrdad Ni，Askari Davood.Mechanicalproperties modeling of carbon single-walled nanotubes［J］.AFinite El－ement Method.Journal of Computational and Theoretical Nanoscience，2005，2（2）:298-318.

［4］Fu Yiming，Xu Xiaoxian.Analysis of Material mechanicalproperties for single walled carbon nanotubes［J］.Acta.Mechanica Solida Sinica，2005，18（1）:46-51.

［5］张恩霞.SiC p/Z L102复合材料成型性能与复杂压铸件制备［D］.南京:南京理工大学，2003.

［6］张静，张国玲，于化顺，等.Si含量对SiC p/Al复合材料组织和性能的影响［J］.功能材料，2009，40（S）:347-350.

［7］何昊，王爱琴，曹德志，等.SiC颗粒表面处理对SiC p/Al-30Si复合材料组织及性能的影响［J］.热加工工艺，2013，42（6）: 114-116.

R.Zhong，H.Cong，P.Hou.Fabrication of nano-Al based composites reinforced by single walled carbon nanotubes［J］.Carbon，2003（41）:848-851.

［9］ T.Noguchi，A.Magario，S.Fukazawa，et al.Carbon nanotube/aluminium composites with uniform dispersion ［J］.Materials Transactions，2004，45（2）:602-604.

［10］ Laha T，Agarwal A，McKechnie T，et al.Synthesis and characterization of plasma spray formed carbon nanotube reinforced aluminum composite ［J］.Materials Science and Engineering A，2004，381（12）:249-258.

［11］许世娇，肖伯律，刘振宇，等.高能球磨法制备的碳纳米管增强铝基复合材料的微观组织和力学性能［J］.金属学报，2012，48（7）:882-888.

［12］赵德刚，刘相法，边秀房，等.（T i B2+SiC）/Z L109复合材料的制备及其力学性能［J］.铸造，2004，53（2）:97-100.

［13］李忠华.（T i B2+T i Al3）／Al Si6C u4复合材料的研究［J］.铸造，2001，50（12）:734-736.

［14］许世娇，肖伯律，刘振宇，等.高能球磨法制备的碳纳米管增强铝基复合材料的微观组织和力学性能［J］.金属学报，2012，48（7）:882-888.

［15］ Srinivasa Ｒ，Bakshi，Debrupa L，et al．Nanoscratch behavior of carbon nanotube reinforced aluminum coatings ［J］.Thin Solid Films，2010，518（6）:1703-1711.

［16］ He Chunnian，Zhao Naiqin，Shi Chunsheng，et al.An approach to obtaining homogeneously dispersed carbon nanotubesin Al powders for preparing reinforced Al-matrix composites［J］.Advanced Materials，2007，19（8）:1128-1132.

［17］ So K P，Lee I H，Duong D L，et al.Improving the wettability of aluminum on carbon nanotubes［J］.Acta Materialia，2011，59（9）:3313-3320.

CNT/SiC Mixed Enhancement Effect on Al-Mg Alloy Material

HUANG Xian-tun1,LI Yong-feng2,QING Pei-lin1
（1.Department of Materials Science and Engineering，Baise College，Baise Guangxi 533000，China；2.Guangxi qiangqiang carbon CO.,LTD.，Pingguo Guangxi 531400，China）

Some property and function of the hybrid composites are obviously increased or improved because of the mutual quality complementation of various reinforcing materials,especially the hybrid effect.The raw material cost of the composite material are greatly reduced.Because both the SiC single-phase particles and CNT reinforced aluminum matrix composites are effectively improves the performance of the Al-Mg alloy material,the article expounds the application and effect of CNT/SiC hybrid reinforced Al-Mg alloy materials,put forward the development direction in the future.

CNT,SiC particles，Al-Mg alloy，hybrid enhancement

TG 146.2+1

A

1674-6694（2016）06-0034-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.06.011

2016-09-11

黄显吞（1969-），男，硕士，副教授，主要从事金属功能材料研究。

广西自然科学基金资助研究项目(2014GXNSFAA118346）；广西高校特色专业及课程一体化建设项目（GXTSZY024）