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    在CNTs/鋁基復(fù)合材料的試制研究中，主要的制備方法有：粉末冶金法、熔體浸漬法、原位合成法、球磨混合法、大塑性變形等。而最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的攪拌鑄造法除在CNTs/鎂合金中有較多應(yīng)用外，在CNTs/鋁基復(fù)合材料中的應(yīng)用報(bào)道相對(duì)較少。本試驗(yàn)采用攪拌鑄造法制備了CNTs/鋁基復(fù)合材料，初步探討碳納米管的增強(qiáng)作用及對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并討論了CNTs的強(qiáng)化機(jī)制。

1  試驗(yàn)方法

1.1碳納米管鋁基復(fù)合材料的制備

    采用電阻坩堝爐將99.75%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的工業(yè)純鋁加熱熔化并保溫至710℃，然后加入1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的鍍鎳碳納米管（鍍鎳的目的是為增大碳納米管在鋁中的潤(rùn)濕性，碳納米管的形貌見(jiàn)圖1），放入自制電動(dòng)攪拌器，攪拌熔體，攪拌器轉(zhuǎn)速為500 r／min~1 000 r/min，攪拌時(shí)間5 min~10 min，然后靜置，撈渣，澆鑄。為確定碳納米管對(duì)鋁基體性能的影響，也采用同樣方法制備了純鋁以及w(Ni)=1.0%的Al-Ni合金。

1.2測(cè)試方法

    根據(jù)GB/T 228 - 2010，將試驗(yàn)材料加工成函5mm圓棒試樣，標(biāo)距為25 mm。拉伸試驗(yàn)在CSS-44100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用JSM-6480掃描電鏡觀察CNTs在鋁基體中的分布情況及拉伸試驗(yàn)后的斷口形貌，電鏡配置EDS能譜儀。

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

    試驗(yàn)材料的拉伸性能如表1所示。比較三種不同材料的屈服強(qiáng)度，可以看出添加CNTs后，材料的屈服強(qiáng)度顯著提高，與加入同樣鎳含量的Al-Ni合金相比屈服強(qiáng)度提高了18%，與純鋁相比提高了101%。一般認(rèn)為CNTs對(duì)鋁基體的強(qiáng)化主要通過(guò)以下幾種方式實(shí)現(xiàn)：載荷轉(zhuǎn)移、Oro wan機(jī)制以及熱膨脹性能不一致等。對(duì)復(fù)合材料后續(xù)的加工硬化行為的分析表明，添加CNTs，可對(duì)材料拉伸過(guò)程中位錯(cuò)的增殖產(chǎn)生明顯的作用，因此認(rèn)為在本試驗(yàn)中CNTs對(duì)材料性能的提升可能來(lái)源于Oro wan機(jī)制。

2.2試驗(yàn)材料的加工硬化行為分析

    圖2為試驗(yàn)材料的加工硬化率．流變應(yīng)力曲線（即Kocks- Mec king plots），此曲線的線性部分與Y，軸的截距為總初始加工硬化率()。從圖2可以看出，單獨(dú)添加Ni或添加CNTs，可顯著的提高材料的總初始加工硬化率。

    通常采用Kocks-Mecking-Estrin模型對(duì)材料的加工硬化行為進(jìn)行分析：

    k一 由位錯(cuò)不可切割的阻礙物( non-shearable ob-stacles)帶來(lái)的位錯(cuò)增殖速率（即幾何必要位錯(cuò)一為保證位錯(cuò)不可切割阻礙物與基體協(xié)調(diào)變形，在阻礙物與基體界面處產(chǎn)生的位錯(cuò)geometrically necessarydislocations的增殖速率）；

    k₁一 由林位錯(cuò)( forest dislocations)所帶來(lái)的位錯(cuò)增殖速率；

    k₂---動(dòng)態(tài)回復(fù)率（即位錯(cuò)的湮滅速率）。

    當(dāng)材料中不存在位錯(cuò)不可切割阻礙物時(shí)(如CNTs)，正比于k₁。Ko cks等人認(rèn)為與材料成分及微觀組織沒(méi)有關(guān)系，為常數(shù)（在鋁中，此值為1 200 N/mm²~ 1500 N/mm²）。但現(xiàn)有研究表明，與材料成分及微觀組織相關(guān)。在鋁合金中，增加合金元素含量，將增大，其機(jī)制為：增加元素含量，將增加位錯(cuò)增殖速率( Kocks-Mecking-Estrin模型中的k₁)；或者提高林位錯(cuò)核的強(qiáng)度，從而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，造成初始加工硬化率的提高。因此在純鋁中添加Ni，可使材料的初始加工硬化率獲得顯著提高（如圖2示）。

    當(dāng)材料中存在位錯(cuò)不可切割的阻礙物時(shí)(如CNTs)，總初始加工硬化率是一個(gè)與林位錯(cuò)增殖速率k₁與幾何必要位錯(cuò)增殖速率k相關(guān)的值，且隨幾何必要位錯(cuò)增殖速率增大，總初始加工硬化率也隨之增大。這就解釋了為何添加CNTs后，材料的總初始硬化率進(jìn)一步獲得提高。

    添加了CNTs的材料加工硬化行為分析進(jìn)一步表明：CNTs與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)產(chǎn)生了阻礙作用，從而提高了材料的屈服強(qiáng)度以及總初始加工硬化率。

2.3復(fù)合材料的斷口組織

    圖3為CNTs復(fù)合材料拉伸斷口處的SEM照片。圖3表明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%碳納米管時(shí)，復(fù)合材料的斷口致密，無(wú)明顯缺陷，呈韌性斷裂特征的韌窩和撕裂棱（圖3a），并且明顯的觀察到CNTs的存在（圖3b），即表明通過(guò)攪拌鑄造的方式，可在純鋁中添加CNTs，從而帶來(lái)了材料性能的提升。

3  結(jié)  論

    通過(guò)攪拌鑄造的方式在純鋁中添加了碳納米管，并對(duì)所獲得復(fù)合材料的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，在純鋁中添加碳納米管后，可顯著增加材料的屈服強(qiáng)度（提高18%）。采用Kocks-Mecking-Estrin模型對(duì)材料的加工硬化行分析表明，添加碳納米管后，材料的初始總加工率獲得較大提高。