宋 篪
传统铝合金具有低密度、高延展性以及优异的耐蚀性等突出的性能,广泛应用于国民经济建设的各个领域。但铝合金强度低的天然缺陷限制了铝合金的进一步应用,有研究表明以铝合金材料作为基体,添加纳米增强材料则可以制备出性能优异的铝合金复合材料,常见的纳米改性材料有 SiC 纳米颗粒和碳纳米管,其中尤其以碳纳米管的研究最为普遍,截至目前在实验室和工业界已开发出多种碳纳米管与铝合金的混合制备工艺。本文总结了碳纳米管改性铝合金的制备工艺,指出了各制备工艺存在的缺陷,并展望了制备工艺的发展方向,用以制备出更高性能的铝合金材料,拓展铝合金在工业领域的应用范围。
粉末烧结工艺通常利用微米级或纳米级的复合粉体,在高能烧结系统中将粉体重熔烧结,制备的复合材料呈现出优异的综合性能,而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的,因此,粉末烧结工艺广泛的应用于制备特殊的高性能材料,其具体工艺流程为:将颗粒度为微纳米级的粉体按照一定的配比物理混合,通过球磨机等高能物理混合设备将混合体充分搅拌融合,使得纳米粉体和基体材料互相扩散均匀,按照制备材料的不同将混合粉体放入不同模具中进行压缩,利用压缩产生的巨大压力将粉体压缩成块状,然后放入高能烧结炉中进行烧结,此时基体处于熔融状态,纳米粉体可以均匀的扩散融入到基体中,制备出高性能的复合材料。有研究者利用粉末烧结工艺研究了碳纳米管对纯铝性能的影响规律,结果表明,用高能烧结系统制备的纯铝复合材料的抗拉强度和延展性显著提升,增强机理可以解释为高温烧结环境促进了碳纳米管和纯铝的界面融合。
搅熔铸造工艺是一种新型铸造工艺,采用机械搅拌来改变金属液的流动状态,并通过机械作用使得金属液发生塑性变形,从而达到精准铸造的目的,搅熔铸造工艺能够有效的减少铸造缺陷和气孔,并提高铸件的机械性能,尤其适用于制造高性能的复合材料。有研究者利用该方法制备了碳纳米管增强铝合金,工艺流程如下:首先在坩埚中将铝粉加热至熔融状态,接着把高长径比碳纳米管逐渐掺入到熔融的铝液中,利用搅拌器的高速旋转作用将碳纳米管充分分散在铝熔体中,利用该工艺制备的铝合金其抗拉强度提高90%,延展性提升85%。
高速摩擦工艺的原理是利用高硬度钻头和铝基体摩擦生热将铝融化,在熔融状态下与碳纳米管进行混合制备复合材料。赵霞等人开发新型的高速摩擦设备并对该工艺进行了深入研究,首先用钻头在纯铝基板上打孔,将碳纳米管粉末装入孔中,并将粉末压制成型,然后将预制好的试样放在高速摩擦设备上,加载压力并高速旋转钻头,使得试样在钻头的高速摩擦下产生塑性变形,从而将碳纳米管融入到铝基体内部,钻头的高速旋转可以促进碳纳米管的分散,有助于界面处C-Al 键的形成,经此工艺制备的铝合金复合材料的抗拉强度增加2 倍。
高压锻造工艺是一种新型的制备高强度铝合金的工艺,其原理是利用超高压力锻造和热处理将碳纳米管融入到铝基体中,实现两者界面强度的提升,其中最具代表性的是叠层夹心技术。该工艺流程如下:以纯铝板为底板,在上面铺敷一层碳纳米管,然后再放置一层纯铝板,按照上述方式交替进行操作,总的叠加层数控制在4 层,然后用超高压力锻造成整体,进入热处理工序,利用高温作用使各层之间相互融合。有学者深入研究了该工艺方法并对制备的改性铝合金性能进行了测试,结果表明,超高压力锻造使得碳纳米管和纯铝界面晶格发生畸变,从而提升了铝合金的抗拉强度。
上述各种工艺制备的铝合金的性能均可以实现大幅度的提升,但也存在制备工艺复杂不易操作,制作成本高等缺点,其主要问题集中在以下四个方面:
(1) 由于碳纳米管的管径属于纳米级,与铝基体的微观尺寸存在较大差异,其与铝合金基体的润湿性较差,与铝基体结合时难以完全浸润,导致C-Al 难以形成稳定的界面。另外,碳纳米管与铝的密度相差太大,导致其在熔融的铝液中难以流动,分散性不好,势必造成在铝合金凝固过程中碳纳米管的团聚,无法充分发挥碳纳米管的增强作用。
(2) 性能优异的碳纳米管通常都具有较高的表面能,这导致单个碳纳米管之间存在较强的范德华力,从而导致碳纳米管发生团聚。当施加外力搅拌进行混合时,往往不能克服这种自身结合的作用力,从而不能将外力均匀的施加在碳纳米管上,导致出现应力集中现象。
(3) 搅熔铸造工艺、高速摩擦工艺和高压锻造工艺中需要进行球磨或高速摩擦等处理,如果工艺流程控制不当则会造成碳纳米管损伤,损伤后的碳纳米管性能往往会降低,其增强作用彻底消失,从而演变成了铝合金中的杂质,对铝合金整体性能造成影响。
(4) 由于制备工艺流程复杂,涉及到各种参数的控制,如采用高压锻造工艺制备铝合金时,如果不能精确控制在纯铝板上铺敷的碳纳米管厚度,则会造成碳纳米管团聚,从而降低增强作用,另外对于锻压时间的控制也会影响界面结合的强度。
在所有的碳纳米管改性铝合金的制备工艺中出现的共性问题是纳米材料的分散性、润湿性、自身损伤和工艺参数控制等,对于上述问题各国研究者进行了大量的研究工作。其基本思想是通过外加能量输入的方式阻止碳纳米管的团聚,保持碳纳米管的纳米尺寸,从而增强其分散性;还可以通过加入SiC 纳米颗粒的方式促进碳纳米管的分散,这是由于SiC 颗粒的高硬度特性可以减少碳纳米管自身的损伤,同时能够消除铝合金粉体表面的氧化膜,增加碳铝界面的融合。另外,利用有机物高分子分别对碳纳米管和铝合金粉末进行修饰,改善界面结合方式,也会增加碳纳米管的分散程度。从控制工艺参数的角度,比如优化粉末冶金工艺,改变粉末的存在状态,将球状改为片状,增大复合材料粒径,并且改变碳纳米管的排列维度,从而增加了碳纳米管与铝基体界面接触面积,也可以解决碳纳米管分散性不佳的问题。为了解决碳纳米管的润湿性差的问题,可以通过在碳纳米管上镀镍、铜层的方式,改善微观接触机理,降低铝基材料与碳材料之间的接触角,促进Al-C 共价键的形成。
利用粉末烧结工艺、搅熔铸造工艺、高速摩擦工艺和高压锻造工艺等制备的碳纳米管增强铝合金的综合性能显著提升,但工艺制备方法中也存在分散性、润湿性、自身损伤和工艺参数控制等难点,加入SiC 纳米颗粒可以显著改善碳纳米管的分散性,有机高分子和工艺参数的控制也会对分散性有一定的促进作用,在碳纳米管上施加金属镀层则可以解决复合材料润湿性差的问题。虽然各种制备工艺还无法工业化应用,但随着研究的深入,必将能制备出更高性能的铝合金材料,拓展铝合金在工业领域的应用范围。