碳纳米管增强铝基复合材料的设计与研究.pdf

第26卷第6期兵器材料科学与工程Vol126No16

2003年11月ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGNov.2003

X
碳纳米管增强铝基复合材料的设计与研究

刘白1,2,邓福铭1,曲敬信1
(1.中国矿业大学材料科学与工程系,北京100083;2.长沙大学机械工程系,湖南长沙410003)

摘要:碳纳米管具有独特的结构、超强的力学性能、稳定的化学性能和极高的长径比,是制备复合材料的理想增
强体。评述了碳纳米管增强铝基复合材料的性能和应用研究的动态。详细讨论了该复合材料的合金化和界面特
性,并指出今后研究的重点。
关键词:碳纳米管;铝;复合材料
中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1004—244X(2003)06—0054—04

铝合金及铝基复合材料具有高比强、高比模量、复合材料中,纯铝和铝合金都可以用作基体,其中以
轻质、耐高温、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损、不吸湿、不放铝合金作为基体的居多。经过多年的研究和发展,
气、尺寸稳定、不老化等特点,已成为航空、航天及其铝合金已形成了较成熟的合金体系。工业上常用的
它尖端技术部门发展高性能结构材料的一个重要方Al-Si、Al-Mg、Al-Cu系合金在铝基复合材料中
向,也是近年来国内外新材料研究的热点之一。同时都有应用[5-8],沉淀硬化铝合金Al-Cu-Mg、Al-
铝基复合材料具有密度低、合金选择范围广、可热处Zn-Mg-Cu等特别受到研究者的重视[3]。材料的
理性好、制备工艺灵活多样等许多优点[1-2]。铝基复使用要求是选用基体金属的首要条件,如当要求材
合材料具有很大的应用潜力,并且已有部分铝基复合料具有良好的耐磨性、导热性及低的热膨胀系数时
材料成功地进入了商业化生产阶段。当前铝基复合(如活塞材料),基体为Al-Si合金[9];为了进一步
材料的研究集中在两个方面:(1)采用连续纤维增强减轻零部件的重量,可考虑选用Al-Li合金作为基
的具有优异性能的复合材料,其应用范围集中在很特体[3];为了提高材料的高温性能,可以选用Al-Fe
殊的领域,如航空航天领域;(2)采用不连续增强体增系合金[10]。
强的具有优良性能的复合材料,其应用范围相当广金属基复合材料的组成特点也是在选择基体金
泛[3]。相对来说,后者具有制备工艺简单、增强体成属时需要考虑的重要因素。在连续纤维增强的金属
本低廉等优点,实现工业化大批量生产的潜力更大,基复合材料中,连续纤维是主要承载相,基体金属的
因此成为当前铝基复合材料的研究重点。作用是固定纤维,传递载荷,此时基体金属的塑性以
及它与增强纤维的相容性是选材的重要依据,而基
1铝基复合材料的设计与制备
体的强度相对来说是次要的。事实上,有研究表明,
材料的使用性能是材料设计的出发点。不同的碳纤维增强的铝基复合材料中纯铝或仅有少量合金
技术领域、不同的工况条件对材料的性能有不同的元素的铝合金作为基体比高强度铝合金好得多,高
要求,往往要求选用不同的材料。因此在金属基复强度铝合金作基体制备的复合材料性能反而较
合材料的设计和制备过程中,基体金属、增强体、制低[4]。而对于非连续增强金属基复合材料,基体是
备方法及工艺参数的选择是多种多样的,同时这些主要承载相,故基体的强度成为选择基体金属的重
因素相互作用、相互影响,共同决定了最终所制得材要依据,此时通常用高强的铝合金,如A356、6061、
料的性能。7075等合金作为基体。
1.1基体金属的选择基体金属与增强体的相容性,尤其是化学相容
基体金属的选择应考虑以下3个方面:(1)金属性,在选择基体金属时也要给予充分的考虑。它的作
基复合材料的使用要求;(2)金属基复合材料组成的用是通过影响复合材料的界面组成、结构和性质来实
特点;(3)基体和增强体之间的相容性[4]。在铝基现的。关于这一点,将在界面研究部分详细讨论。

X收稿日期:2004-04-01;修订日期:2003-07-14
作者简介:刘白(1963-),男,副教授,博士生
第6期刘白等:碳纳米管增强铝基复合材料的设计与研究55

1.2碳纳米管(CNTS)增强相的结构与性能
金属基复合材料正是由于增强体的加入并与基
体的良好复合才具有比普通金属材料更高的性能,
因此增强体的选择非常重要。针对材料的具体应
用,增强体首先应具有明显提高金属基体某种所需
特性的性能,如作为结构材料时,增强体应具有高强
度、高弹性模量、低密度等性能,而作为耐磨材料时,
硬度、耐磨性是主要的选择依据。同时,增强体应具
有良好的化学稳定性,与金属基体有良好的浸润性,
以保证增强体与基体金属良好复合和分布均匀。此图1纳米碳管TEM像
外,增强体的成本也是需要考虑的一个重要因素。强酸强碱,在973K以下温