体育器材器械的改性铝基复合材料性能分析

邓彭冲

(中共陕西省委党校(陕西行政学院),陕西 西安 710061)

CNTs-SiC改性铝基复合材料有着十分优异的力学及物理性能，而该材料中CNTs-SiC的含量是决定其力学性能的一项关键因素[1]。因此，本次研究重点分析CNTs-SiC含量与CNTs-SiC改性铝基复合材料力学及物理性能之间的关系，为该材料在体育器材器械中的合理应用提供更有价值的参数依据。

1 实验材料

本次研究所使用的CNTs主要参数如表1所示。为了使CNTs的力学性能得到强化，本次研究采用纳米SiC复合化的方式对CNTs表面进行处理。选取φ(CNTs)为5%、10%及15%的CNTs-SiC改性铝基复合材料，将其设定为实验组；另选取SiC/Al复合材料与CNTs/Al复合材料(增强相含量与实验给相同)，将其设定为对照组。

2 力学性能分析

本次研究所使用的CNTs-SiC改性铝基复合材料处于塑性状态，因此只进行拉伸实验，借助延伸率、屈服强度和抗拉强度来评价该材料的力学性能。热挤压条件如表2所示，通过热挤压的方式将φ30试样转化为φ7棒材，根据国标加工制式将棒材制作成拉伸试样[2]。在此基础上，于室温环境下来评价CNTs-SiC改性铝基复合材料的拉伸性能，挤压方向与拉伸方向一致，将每种材料拉伸为三个不同的试样，再计算出平均值以表示该材料的拉伸性能，室温环境下的拉伸试样直径为3mm，标距为15mm，变速率为5×10-4/s[3]。

表1 CNTs主要参数

表2 热挤压参数

CNTs-SiC改性铝基复合材料的力学性能、硬度及密度如表3所示。经实验研究发现，在本次研究所设置的工艺环境下，所有实验对象均达到99%以上的密度水平，可以满足在致密化方面的要求。在不断增加CNTs-SiC含量的过程中，改性铝基复合材料的硬度也逐渐得到增强15%CNTs-SiC/Al、10%CNTs-SiC/Al、5%CNTs-SiC/Al相比于纯铝来说，其硬度分别提升了195%、116%和46%，在不断加入CNTs-SiC增加相的过程中，改性铝基复合材料的塑性变形得到了有效的抑制，进一步增加了复合材料的硬度以及抵抗塑性变形的能力。改性铝基性能力学性能与CNTs-SiC含量之间的关系如图1所示，在不断增加CNTs-SiC含量的过程中，改性铝基复合材料的强度先增后减，在含量为10%的情况下处于最高水平。另外，改性铝基材料的延伸率会随着强度的增加而下降。

表3 复合材料及纯铝材料性能

经实验研究发现，纯Al延伸率、抗拉强度和屈服强度分别为27%、107MPa、81MPa；5%CNTs-SiC/Al 试样的延伸率、抗拉强度和屈服强度分别为9.5%、180MPa、117MPa。相比于纯铝来说，其抗拉强度和屈服强度分别提升了69%和45%；10%CNTs-SiC/Al 试样的延伸率、抗拉强度和屈服强度分别为7.5%、209 MPa、146 MPa。相比于纯铝来说，其抗拉强度和屈服强度分别提升了97%和80%；15%CNTs-SiC/Al 试样的延伸率、抗拉强度和屈服强度分别为3.6%、198 MPa、131 MPa。相比于纯铝来说，其抗拉强度和屈服强度分别提升了87%和65%。根据实验结果可知，在Al基体中w(CNTs-SiC)为15%的情况下，改性铝基复合材料仍然能够得到强化，但在不断提升改性铝基复合材料的过程中，延伸率也随之出现了明显的下降，也就是金属基复合材料强塑性不匹配现象。在不断增加CNTs-SiC含量的过程中，Al基体与CNTs-SiC二者之间不并存在一致的变形能力，Al 基体塑性变形很大程度上会受到CNTs-SiC的影响，为合理控制材料开裂的风险，需要妥善处理好强度与延伸率之间的矛盾。

3 增强改性铝基复合材料性能有关方法

根据现有的文献资料发现，CNTs-SiC改性铝基复合材料通常只有3%左右的增强相含量[4]。由于CNTs容易团聚且难以分散，因此改性铝基复合材料也存在难以致密的问题[5]。另外，由于Al与CNTs之间缺乏相容性，CNTs的增强效果难以得到充分的发挥，反而会影响到改性铝基复合材料的延伸率和力学性能[6]。因此，本次研究在进行实验之前，首先对Al基体与CNTs的界面相容性进行了改善处理，进而提高了CNTs在改性铝基复合材料中所占的比例，并且获得了致密的CNTs-SiC改性铝基复合材料试样[7]。另外，CNTs表面的SiC复合层能够对Al基体与CNTs之间起到一定的阻隔作用，使CNTs/Al之间的界面反应得到控制，降低Al4C3硬脆相的生成量，使Al基体与CNTs之间表现出良好的界面结合强度[8]。

4 结 语

将CNTs-SiC改性铝基复合材料应用于体育器材器械中，能够有效改善体育器材器械的力学性能，使设备整体结构更加坚固，并且在重量上不会出现过大的提升，方便设备的拆卸与运输，并且为体育器材器械各部件的标准化创造了便利条件。而在未来的研究中，还需要进一步考虑CNTs-SiC含量与改性铝基复合材料热膨胀之前的关系，使该材料不仅能够应用于体育器材器械上，还要应用于汽车、航天器等领域，需要通过更多的研究来分析该材料在各个领域中的适用性。