碳纳米管增强铝基复合材料的研究现状.docx

下半月出版material&heat treatmentl材料热处理技术碳纳米管增强铝基复合材料的研究现状 孙益广1，刘平2，陈小红2刘新宽2，李伟2，马凤仓2何代华2 (1上海理工大学机械工程学院，上海200093；2上海理工大学材料科学与工程学院，上海200093)摘要：描述了碳纳米管和碳纳米管增强铝基复合材料的基本特征，讲述了碳纳米管铝基复合材料的制备方法和 制备过程中存在的问题及解决方法。最后对碳纳米管增强铝基复合材料今后的研究动向进行了分析。关键词：碳纳米管；铝基复合材料；增强相中图分类号：tb333文献标识码：a 文章编号：10013814(2012)24013703present situation of carbon nanotube reinforced aluminum compositesun yiguan91，liu pin92，chen xiaohon92，liu xinkuan2，li wei2，ma fengcan92，he daihua2 (1school ofmechanicalengineering，universityofshanghaiforscience andtechnology,shanghai200093，china；2schoolofmaterials science and engineering，university ofshanghai for science and technology，shanghai 200093，china)abstract：the basic character of carbon nanotube and aluminum matrix composite reinforced by cnts was described the preparation methods for carbon nano-tube aluminium matrix composite and the problems in process of it product and how to solve the problems were also discussedat last，the future research of aluminum matrix composite reinforced by cnts wasanalyzedkey words：carbon llanotubes(cnts)；aluminum based composite；enhanced phase碳纳米管具有独特的几何管状结构，优良的物组合封闭。从而使管体在圆柱面上产生相应正的和 理化学性能，在纳米材料中占有重要地位。而金属 负的弯曲曲率。 材料由于来源广泛、加工性好、性能多样性。被广泛碳纳米管由于其独特的结构和性能在纳米复合 应用在科学发展中。但随着科技的进步，人们对材材料中具有良好的应用前景，理论计算和结果表明 料的性能要求越来越高，传统材料难以满足人们当 碳纳米管具有很高的弹性模量。可达到1 tpa(金刚 前需求这时金属基复合材料应运而生。以碳纳米石的弹性模量为12tpa)，甚至达到18 tpa；碳纳米 管作为增强相的金属基复合材料表现出优异的导 管强度大约是钢的100倍，而密度只有刚的六分之 热、导电和耐腐蚀等性能，这极大推动了研究者的热一左右。碳纳米管还有极好的塑性变形，其弹性应变 情扩展了其应用前景。 可达5，甚至达到12，约为钢的60倍。1碳纳米管的简介2碳纳米管增强铝基复合材料碳纳米管是1991年由日本电镜专家iijimat”在 碳纳米管铝基复合材料具有密度低、高强度、抗 实验中发现的碳的第五种同素异形体(前四种分别氧化性好和耐腐蚀等优点，成为尖端技术部门发展 是石墨、金刚石、巴基球和无定性碳)。高性能结构材料的研究方向也成为近年来国内外 碳纳米管可看作是有单层或者多层石墨片卷曲研究的热点。虽然碳纳米管铝基复合材料还处在试 而成的几何无缝石墨管。每层纳米管是由碳原子通 验阶段，但取得了很大的进展。riceuniversity的 过spz杂化结构与周围3个碳原子完全键合而成的barrera等用用富勒烯作为铝基增强相使纯铝硬度提 六边形平面围成的圆柱面，两端由五边形或七边形 高了近80。kuzumakiisl利用热压一热挤压工艺制备出碳纳米管铝基复合材料伸长率提高了40左 收稿日期：20120529 右。而且表现出良好的化学稳定性。丁志鹏【9】采用无 基金项目：上海市教委创新项目(1 1yzl 12)；上海市科委基础研究重 压浸渗法使熔融金属浸润到预制块体中，制备出碳点项目f10jcl41 1800)；上海市教育委员会重点学科建设项纳米管铝基复合材料，发现当碳纳米管体积分数目(j50503 1；上海市研究生创新基金项目(jwcxsll 101)；作者简介：孙益广(1987一)，男，江苏省徐州人，硕士研究生，从事金属基大于15时，该复合材料的硬度反而下降。x等【1o】用复合材料的研发；e-mail：418437085qqcom热挤压法制备的cntsal复合材料表现出很好的热加工工艺2012年第4l卷第24期137万方数据材料热处理技术：material&heat treatment 2012年12月 低温导电性能。从碳纳米管优异的性能来看。目前，复合材料一般体积分数有一定的限制，很难实现高碳纳米管铝基复合材料性能没有达到理论值，影响 密度的制备但操作相对简单，制备条件比较容易实 碳纳米管铝基复合材料性能的因素还很多，所以需 现。相对其他复合材料制备工艺来说，无论哪种浸渍 要科学工作者进行进一步研究探讨。 方法都有优缺点，目前来看熔体浸渍法由于其预制块制备比较复杂，而且块体中气孔不易排出，造成复3碳纳米管铝基复合材料的制备方法合材料疏松，容易变形等，所以熔体浸渍法目前还在31粉末冶金法 不断探讨中。丁志鹏等采用无压渗透法发现，无论在 粉末冶金法 】是最早制备金属基复合材料的工氩气还是在氮气气氛下，熔融态的铝都不能浸透进 艺，该方法是将cnts与铝粉均匀搅拌混合，然后进不含镁的粉体预制件中。只有在惰性气体保护下且 行球磨、干燥、压实和烧结等。该方法的优点主要是 预制件中含有一定量镁粉，无压渗透才可进行这主 碳纳米管能在铝基体中分布均匀，而且可准确控制要是由于镁与氮气反应形成局部真空且反应改善了 碳纳米管的含量，自由度比较高。cnts与铝基体不 铝液与管壁的浸润性实现的，但当cnts含量较高易发生化学反应工艺过程对设备要求也不高。缺点 时，cnts易发生偏聚，引起复合材料性能的降低。 是混粉时间比较长压力大且球磨过程可能对cnts 34原位合成法 原有结构造成损害，制备出的复合材料中一般会有原位复合技术作为一种突破性新的复合技术而 较多的孔隙、气泡、裂纹等，内部缺陷影响了碳纳米受到国内外学者的普遍重视。原位复合材料的概念是 管铝基复合材料的性能，工艺复杂且制造成本高，不merzhanov等15在采用自蔓延高温合成法(shs法1 易制备形状复杂的零件fl4】。制备tib2cu功能梯度复合材料时首先提出的，在32搅拌铸造法 此基础上发展而来的。原位金属基复合材料主要是 搅拌铸造法是最常见的方法之一，该方法是在以金属为基底，采用适当的工艺方法，在金属基底上 熔融的液态金属中加入碳纳米管，当增强相碳纳米 达到一种化学或者非化学的反应制备出增强相。由 管慢慢加入到液体金属中，机械搅拌器强力搅拌，利 于原位复合技术基本上能克服其他工艺通常出现的 用涡流形成的巨大负压迫使碳纳米管分散于金属基一系列问题，如增强相与金属界面浸润差，界面反应 体中，从而达到分散的目的，制备出分散均匀的碳纳 产生脆性层。增强相分布不均匀，特别是微小的第二 米管增强金属基复合材料。该工艺优点是工艺简单相或增强相极难与金属进行复合问题等是接下来研 易于操作，对设备要求性不高、生产效率高等优点。究的热点。xjong等161通过ram法制备了al。c3a1 缺点是由于碳纳米管密度相对金属较低，在熔体金基复合材料。常温下抗拉强度高达400mpa，显微硬属中易上浮造成增强相的偏析，分散不均匀和较多 度达14gpa，表现出了良好的力学性能。 的气孔空隙，对碳纳米管铝基复合材料的性能有很4存在的问题和解决问题方法大影响。33熔体浸渍法cnts优异的物理和化学性能已使其成为铝基 熔体浸渍法是一种将熔体金属在一定的工艺条复合材料的理想增强相，因此，近年来关于cntsai 件下渗透到具有一定形状和较高空隙的预制块体 基复合材料的研究已成为材料科学研究的热点，而 中，达到渗透的作用，然后通过自然冷却，凝固达到且碳纳米管增强铝基复合材料的研究已经取得一定 复合材料的制备。一般来说熔体浸渍法分为压力渗 的进展。但是实验结果与理论结果有很大的差距，并 透和无压渗透。压力渗透效果比较明显，制备的复合 没有达到理想要求。主要还是在碳纳米管铝基复合 材料孔隙率相对来说低，目前有报道称这种方法能 材料的制备过程中存在很多问题，所以解决这些必够制备体积分数高达50的复合材料。但是制备工 要问题是当务之急。 艺复杂，设备要求高，易发生化学反应，生成脆性物41碳纳米管在铝基体中的分散问题 质，对复合材料性能影响很大。而且一般要在惰性气众所周知碳纳米管密度小、高长径比、比表面能 体保护下才可进行。无压渗透顾名思义在自然状态 高，采用传统的液相法或固相法时cnts极易偏聚 下达到一种熔体浸渍平衡的状态。元压渗透制备的 或团聚，从而制备出的该复合材料性能低。所以为了138hot working technology20 1 2，v014 1，no24万方数据下半月出版 material&heat treatmentl材料热处理技术 有效提高材料性能，关键的步骤就是提高碳纳米管系统方便的解决办法。因此还要深入研究碳纳米管的分散性，或使其呈束状分布，避免碳纳米管在铝与铝基体之间的界面结合性对揭示碳纳米管增强 基体中团聚形成弱相。因为弱相易引发断裂、脆性界 铝基复合材料的强化机理具有指导意义。 面，尤其是当碳纳米管在铝晶界处发生团聚时使得43强化机理问题 晶界处强度降低，从而降低了复合材料性能。碳纳米管具有纳米级的中空管径、高长径比一目前解决的方法主要有：原位合成法：主要是 般情况下，在自然状态下呈卷曲的线状分布。碳纳米 以化学气相沉积法为主，在金属基底上直接生长碳 管有比晶须大得多的长径比但其管径尺寸又远远 纳米管。该方法在制备碳纳米管的同时分散碳纳米 小于纤维，所以碳纳米管的增强机制与晶须和纤维 管，而且使碳纳米管有效地和金属基体结合，达到界 都不同。一般来说碳纳米管增强金属基复合材料可 面润湿的作用。机械搅拌分散：机械搅拌分散是比 能的增强机制主要有混合定律，细晶强化机制，位错 较常用的分散方法之一，该方法主要是利用机械力 强化机制和弥散强化机制。弥散强化机制是研究 强力搅拌撞击使纳米粒子在介质中充分分散的一种 相对成熟的增强机制。弥散强化机制主要是在金属 形式。超声波分散：即利用超声波瞬间释放的能量 基复合材料中，碳纳米管阻碍基体金属的长大和位 撞击碳纳米管从而达到分散微粒的目的。分散剂 错运动，使基体金属塑性变形受到抑制，从而提高材 分散：分散剂分散主要是通过分散剂吸附来改变粒 料性能。子的表面电荷分布引进特殊官能团，产生静电稳定5展望和空间位障稳定作用来达到分散效果。但是，在使用分散剂分散时，对分散剂用量有一定的限制，过量分由于碳纳米管物理化学和力学性能的优异性， 散剂有可能损害碳纳米管的结构。多种方法的综 将其与金属材料复合后能得到各种高性能的新型复 合使用：目前对于碳纳米管的分散工艺，一般都是多 合材料这已成为研究碳纳米管复合材料的一个极 种分散方法综合使用来达到分散的目的。如先用强为重要领域。但是如何有效地发挥碳纳米管的增强 酸氧化，然后机械搅拌分散。多种方法综合使用一方 效果是今后需解决的问题。 面提高了分散效率另一方面一定程度上提高了分 目前来看，碳纳米管增强金属基复合材料研究 散的程度。 结果是可喜的但是其制备的方法的单一性。加工工42碳纳米管与铝基体的润湿问题艺的复杂性、生产效率不高等，这些问题还制约着碳 影响碳纳米管在铝基复合材料的性能的发挥因纳米管金属基复合材料的发展，需要进一步地探索 素除了碳纳米管的分散性问题还有怎么有效的解决研究只有这样才能使碳纳米管铝基复合材料得到碳纳米管和铝基体的界面结合性也就是润湿问题。实际的应用。 我们知道碳纳米管由于是纳米材料，而且高长径比， 因此碳纳米管与铝基体很难形成坚固的结合界面， 参考文献：碳纳米管优异的性能就难以发挥出来，从而制备出1lijima shelical microtubles of graphitic carbonj】nature，1991。354：5658的复合材料很难达到理想的性能指标。所以必须设2】gao g，cagin t，goddardw aenergetics，structure，法对碳纳米管表面进行适当的改性来提高基体的浸mechanical and vibrationl properties of single-walled carbon润性。解决该问题的方法目前主要是在碳纳米管表nanotubesjnanotechnolgoy，1998，9(3)：184191面涂覆特殊的金属层，一般为基体金属。这样即达3解思深，李玉宝神奇的碳纳米管j 新材料产业，2000，到浸润性，而且还不引入杂质。(1j1：71-72目前已经有研究者在碳纳米管表面镀cutl8】、4ghasemi-nejhad，mehrdad ni，askari davoodmechanicalproperties modeling of carbon singlewalled nanotubesj：anitl9】、agc20l、cot21】的文献报道。发现经过涂覆后的碳finite element methodjournal of computational and纳米管一方面与基体金属结合良好，形成比较牢固theoretical nanoscience，2005，2(2)：2983 1 8的结合界面：另一方面也促进了碳纳米管在基体中5fu yiming，xu xiaoxiananalysis of material mechanical的分散性。但是目前为止，对碳纳米管增强铝基复properties for single walled carbon nanotubesjactamechan合材料的界面的研究文献还是比较少，还不能得到ica solida sinica，2005，18(1)：4651(下转第144页)热k-y-工艺2012年第41卷第24期139万方数据材料热处理技术material&heat treatment2012年12月结试样的综合力学性能较好，密度达到9798，维synthesis by highenergy reactive millingjmaterials science氏硬度为1865gpa，断裂韧性为1043mpamm。and engineering，2007，464：47519】eleskandarany m sfabrication and characterizations of new(3)wca120，材料压痕裂纹扩展方向上存在裂nanocomposite wca1203 materials by room temperature ball纹偏转、裂纹搭桥和裂纹分叉，它们的存在有利于milling and subsequent consolidationj】joumal of alloys andwca120，复合材料的增韧。compounds，2005，391：22823510】 huang s g，vanmeensel k，biest o v d，et a1pulsed 参考文献： electric current sintering and characterization of ultrafine 1】 程涛，汪重露纳米硬质合金的研究进展j】。稀有金属与硬 a1203一wc compositesjmaterials science and engineering，质合金，2006，34(3)：46502010，a527：584589【2张武装，刘咏，黄伯云。纳米晶wcco硬质合金的研究现【j】【11 dynys f w，halloran j walpha alumina formation in材料导报，200l，21(2)：7982 alumderived gamma aluminajjournal of the american3贾佐诚以镍代钴碳化钨基硬质合金的发展j】粉末冶金工ceramic society，1982，65(9)：442448。业，1999，9(4)：273112 shetty d k，wright i g，mincer p n，et dindentation【4】陈德勇，罗在清wcni硬质合金的特性、发展及其应用【j。fracture of wcco cermets【j1journal of materials science，硬质合金，200724(1)：4346198520：187318825】kim h c，kim d k，woo k d，et a1consolidation of13】 kear b h，skandan g，sadangi r kfactors controlling binderless wctic by high frequency induction heating decarburization in hvof sprayed nanowc-co hard coatings sinteringjinternational journal of refractory metalshard 【j】scripta materialia，2001，44：17031707 materials，200826：4854】4】 zovas p e，german r mretarded grain boundary mobility in【6】malek o，lauwers b，perez y，et a1processing of ultrafineactivated sintering toolybdenum【j】metallurgical transactionzr02 toughened wc compositesjjournal of the european a，1984，15：1103一1110ceramic society，2009，29(16)：3371-33781 5 王昆林材料丁程基础【m北京：清华大学出版社，20097ma j，zhu s g，di p，et以influence of la203 addition on 16】 becher p fmicrostructural design of toughened ceramicsj hardness flexural strength and microstructure of hot-pressingjournal of the american ceramic society，1991，74(2)：255 sintered wcmgo bulk compositesjmaterial&design，269201 1，32(4)：21252129 17】 selsing j，internal stresses in ceramics【jjournal of the8pallone e m，martin d r，tomasi r，et a1a1203一wcamerican ceramic society，1961，44(8)：419421田(上接第139页)m4carrenomorelli e，yang j，couteau e，et甜carbon-nanotube6】孙静 碳纳米管及其研究进展ji世界科学，2006，(5)：magne sium com-posites fjphysstars01，2004，201(8)：282953557barrera e vkey methods for developing singlewallm5 merzhanov a g，borovinskaya i p，surbrahmanyam j，et甜 nanotube composites jomjoumal of the mineral，metals andself-propagating hightemperature synthesis【j】matersci， material societyj，2000，52(11)：38-42 1992，27(23)：6249-62738kuzumaki tprocessing of carbon nanotube reinforcedm6tjong s c，ma z ymicrostructural and mechanicalaluminumjjournal of materi