纳米碳管_铝基复合材料的制备及摩擦磨损性能研究ok.pdf

Vol27．No3
第27卷第3期摩擦学学报
May，2007
2007年5月TRIBOLOGY

纳米碳管／铝基复合材料的制备及
摩擦磨损性能研究

姜金龙，戴剑锋，袁晓明。，王海忠，魏智强，王青
(1．兰州理工大学理学院，甘肃兰州730050；。
2．兰州理工大学甘肃省有色金属新材料国家重点实验室，甘肃兰州730050；
3．兰州大学材料科学系，甘肃兰州730000；
4．中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃兰州730000)

摘要：利用粉末冶金法制备纳米碳管／铝基复合材料，研究不同纳米碳管含量对复合材料硬度和稳态摩擦磨损行为的
影响，采用扫描电子显微镜观察复合材料的磨损表面形貌，并对其磨损机制进行探讨．结果表明：随着纳米碳管质量分
数的增加，复合材料的硬度呈现先增大而后减小的趋势，含质量分数为2％的纳米碳管复合材料硬度比铝增加约
80％；复合材料的摩擦系数逐渐降低，磨损率先减小而后增大；含质量分数为1％的纳米碳管复合材料磨损机制为磨
粒磨损和粘着磨损，而含质量分数为2％的纳米碳管复合材料以剥层磨损和疲劳磨损为主．
关键词：纳米碳管；金属基复合材料；摩擦磨损性能
中图分类号：TB331；TG115．5；TH117．3文献标识码：A文章编号：1004-0595(2007)03-0219-05

纳米碳管为由单层或多层石墨片按不同方向卷
1实验部分
曲成的无缝径向纳米级管，每个碳原子通过sp杂
化与周围的3个碳原子键合成六边形平面；纳米碳1．1复合材料制备
管的扬氏模量高达5TPa，密度约1．2～1．8cm，纳米碳管(CNTs)的制备采用阳极弧等离子体
比强度55．55GPa／(mg／m)，约为钢的100倍，同时法¨，以石墨棒为蒸发材料，以一定比例的Fe、Co
具有优良的热稳定性，是理想的纳米增强增韧纤维及Ni粉作为催化剂在惰性气体气氛中制备含有体
材料¨。J．铝基材料具有密度小、抗氧化和耐腐蚀、积分数40％～50％的纳米碳管．将所制备的纳米碳
耐磨损及易加工等优点而在航空、航天及汽车制造管先用分析纯浓硝酸浸泡48h，过滤后在HF中浸
等领域得到广泛应用．为了满足航空航天等领域对泡24h，用蒸馏水充分过滤直至滤液的pH值为7，
材料更高比强度、高比模量和耐磨损的要求，将纳米以除去混杂在纳米碳管中的Fe、Co、Ni以及少量的
碳管用于制备铝基复合材料，并取得优异的理化和无定型碳等杂质．
力学性能，已成为极具潜在应用价值的复合材采用粉末冶金法制备纳米碳管／铝基复合材料．
料～．丁志鹏等．9采用无压渗透法制备纳米碳由于纳米碳管与金属粉末密度相差较大，且纳米碳
管／铝复合材料，研究发现由于纳米碳管的自润滑和管的长径比达100～1000，具有很高的表面自由能。
增强作用，复合材料的摩擦系数和磨损率随着碳纳极易发生团聚，难以在复合材料基体中均匀分散．制
米管体积分数的增大而减小．但目前对于纳米碳管／备过程中将纳米碳管超声分散于乙醇中，然后加入
铝复合材料的研究主要集中于材料设计及其力学性纯度大于99．0％、平均粒径为0．07mm的铝粉研磨
能方面J，有关其摩擦磨损性能的研究较少．为30min，使铝粉与纳米碳管充分混合．将混合均匀的
此，本文作者利用传统的粉末冶金方法制备纳米碳碳管和铝粉在压力280MPa下压制，保压15min冷
管／铝基复合材料，并对其摩擦磨损行为进行研究．压成型，在氩气保护下于400℃预烧1h，随后升温

基金项目-tt肃省自然科学基金资助项目(3ZS061一A25~39)；兰州理工大学科研发展基金资助项目(SB10200416)
收稿日期．_2006-08-25；修回日期：2006—11-27／联系人姜金龙，e—mail：[e-mail]
作者简介：姜金龙，男，1977年生，硕士，讲师，目前主要从事复合材料及环境材料方向的研究．

摩擦学学报第27卷

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至600℃保温2h，随炉冷却至室温．复合材料试样加，复合材料的密度呈单调递减趋势．因为纳米碳管22222222
∞强如
尺寸为60mmX10mmX2mm，含CNTs质量分数分的密度约为铝基体的1／2，且随着纳米碳管含量增
别为0．5％、1．0％、2．0％及3．0％．在MH-5一VM型加，材料的孔隙增多，所以复合材料的密度减小．
显微硬度仪上测量复合材料试样的显微硬度，载荷图2所示为复合材料的硬度随纳米碳管质量分
为1N，保持15s．用上海产TG328A型分析天平(精
度0．1mg)根据阿基米德原理测定复合材料密度．
1．2摩擦磨损试验
采用日本协和株式会社制造的DF—PM型动一静
摩擦系数精密测量装置测量复合材料的摩擦系数，
偶件采用4,3．0的GCrl5轴承钢球，接触形式为球一
面点接触，单向滑动速度16