碳纳米管增强铝基复合材料的研究进展.pdf

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1、材料应用碳纳米管增强铝基复合材料的研究进展廖晶王利民黄元飞陈胜男（国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉430074）摘要：本文介绍了CNT的优异性能，阐述了其增强铝基复合材料的机理和国内外研究现状，对CNT/Al基复合材料的性能及研究意义进行了讨论，并分析了CNT/Al基复合材料制备过程中存在的分散、界面结合等问题，最后展望了CNT/Al基复合材料的发展趋势。关键词：铝基复合材料；碳纳米管；强化；分散；界面结合中图分类号：TB383.1文献标识码：A文章编号：1674―3024（2015）07―05―02引言对基体晶粒生长的阻碍作用大，因而晶粒尺寸较小。所以，适当的添加CNT于铝基

2、体中，有利于细化晶粒尺寸，提高复合材纳米相增强金属基复合材料是近年来迅速发展起来的一种料的强度。新材料，具有优异的力学性能和理化性能，尤其是碳纳米管(CNT)的出现，它的深入研究为复合材料性能的提高提供了一2碳纳米管/铝基复合材料的研究现状个新的途径。CNT于1991年由日本NEC科学家lijimaS发现，目前报道的碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法主要有直径在0.3nm到几十纳米之间，长度可达几十微米。研究显示粉末冶金法、铸造法、原位复合法、无压渗透法和热喷涂法等。[2]多壁碳纳米管的杨氏模量高达5TPa（与金刚石相同），拉伸1998年Kuzumaki等首次将多壁碳纳米管添加到铝基复合强度可

3、达到150GPa（钢的100倍），密度仅为钢的1/6，导电材料中，从而揭开了碳纳米管增强金属基复合材料的序幕，他率为铜的1000倍，结构稳定，是理想的增强材料。在过去的二们将碳纳米管和铝粉混合后热压烧结，然后挤压，研究发现当十年间其作为聚合物、陶瓷增强材料的报道数不胜数，表现出碳纳米管的添加量为5vol%-10vol%时，复合材料的拉伸强度提来的杨氏模量、拉伸强度、断裂伸长率均优于其他填料。纯铝/高了一倍。为了使CNT在铝基体中分布更加均匀，He等采用铝合金具有密度小、耐腐蚀和加工性能好等优点，是目前应用原位催化生长CNT，然后用粉末冶金法制备CNT/Al基复合材最广泛的轻金属材料，但一般的纯

4、铝/铝合金的强度不高、高温料，研究发现所制备的复合材料的抗拉强度料比同种工艺制备性能不好，难于满足现代工业对材料高比强度、高比刚度、耐的纯铝和球磨混料后热压所得制品都高得多。丁志鹏等采用无热性和耐腐性等性能的要求。基于CNT作为增强材料的研究，压浸渗的方法制备了CNT/铝基复合材料，研究发现，随着CNT科研者们正致力于CNT增强铝基复合材料的研究，将力学性能含量在一定范围内增加，复合材料硬度先提高后下降。优异的CNT和具有特殊性能的铝基体进行复合，希望制备出兼CNT增强铝基复合材料的制备目前仍处于实验室阶段，研具轻质、高强等优异性能的复合材料。究者运用不同方法来解决CNT与铝基体的分散和界面润

5、湿的1碳纳米管/铝基复合材料的强化机制问题，以提高材料的性能，但现有制备方法不够完善，存在的问题尚未很好的解决，仍需学者们做大量的研究。CNT具有很大的长径比，长径比远大于晶须，管径又远远小于纤维，所以它的增强机制既不同于晶须也不同于纤维。根3存在的问题据强化理论，碳纳米管增强金属基复合材料可能的增强机制主碳纳米管作为增强相，在铝基复合材料的力学性能改善方要是为第二相强化、位错强化和细晶强化，但目前还没有建立面取得了一定的成就，但是碳纳米管易团聚、表面活性低，难起相关的增强机制。与基体形成良好的界面，破坏了碳纳米管所表现出来的优异力在铝基复合材料中，高强度、高模量的CNT分布在铝基体学性能。因

6、此，碳纳米管能否均匀分散在基体中并与基体形成中，受载时，载荷会从基体界面传递到CNT上，从而使CNT良好的结合界面，是获得优异性能材料的关键。发挥出有效地承载作用。若材料所受应力超过基体的屈服应力3.1碳纳米管在基体中的分散时，会通过位错运动使应力得以释放，位错线在运动中遇到第目前碳纳米管的制备方法已日益完善，但制备出的碳纳米二相质点受到阻碍，在外力作用下位错线会切割质点或绕质点管中通常都含有催化剂和无定形碳等杂质，溶解性非常差，很继续运动。位错线切割质点时，会产生新的界面，增加了位错难分散到水或有机溶剂中去；碳纳米管具有纳米级的管径，比线运动的阻力，使滑移抗力增大；位错线绕过质点发生弯曲时，

7、表面积大，比表面能高，因而常呈团聚状态，不能有效地分散最终形成包围CNT的位错环，这些位错环会导致背应力的产在基体中，使其应用受到了限制。因此，碳纳米管的分散已成生，背应力会阻止后续位错的运动，使复合材料的屈服应力增为实际应用中必不可少的步骤。加。目前，常用的分散方法主要有对碳纳米管进行修饰改性、室温下铝基体的热膨胀系数为25.8×10-6/K，而CNT的热离心分散或机械球磨。Esawi等研究发现