搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强铜基复合材料工艺探索.docx

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搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强铜基复合材料工艺探索摘要：本文采用搅拌摩擦加工法制备了碳纳米管增强铜基复合材料，研究了试验工艺参数（搅拌头的倾斜角度、旋转速度和挤压速度）对复合材料成形的影响。结果表明：在进行单一变量试验发现，在挤压次数为3次，倾斜角度为3°，旋转速度为750r/min，挤压速度为30mm/min时，复合材料的成形较好，碳纳米管在复合材料中较均匀地分布，复合材料中无明显的疏松和孔洞等缺陷出现。前言目前，铜及铜合金已成为第二大有色金属，是全球经济各行业中广泛需求的基础材料[1]。铜及铜合金由于具有机械性能良好、工艺性能优良，易于、塑性加工等优点，更重要的是铜及铜合金具有优越的导电和导热性能，因此铜及铜合金被广泛地应用于电子、电器等工业领域。但是，铜在室温强度、高温性能以及磨损性能等诸多方面的不足限制了其更加广泛的应用，虽然铜合金在力学性能上有了一定的提高，但是随着合金化程度的提高，铜合金的导电、导热性能有了比较明显的降低。因此，研制和开发具有高强高导性能的铜基复合材料是近年来科研工作者研究的热门方向。纳米相增强铜基复合材料是近年来发展起来的一种工业新型材料[2]，是由纳米相均匀地分散在铜或铜合金基体中而形成的。由于纳米分散相具有大的表面积和强的界面相互作用，纳米相增强铜基复合材料表现出不同于一般颗粒或纤维增强铜基复合材料的力学、热学、电学、磁学和光学性能,其比强度、比模量、耐磨性、导电、导热性能等均有大幅度的提高，是一种全新的高技术新材料，具有广阔的商业开发和应用前景[3]。目前，国内外学者主要采用原位反应合成法[4]、内氧化法[5]、大塑性变形法[6]、机械合金化法[7]和粉末冶金法[8]来制备纳米相增强铜基复合材料，但由于原位反应合成法制备工艺成本高,不适于规模化生产[9]；内氧化工艺容易造成组织缺陷；大塑性变形工艺会使粒度分布不均匀；机械合金化工艺粒径分布宽，易混入杂质；粉末冶金法生产工艺复杂，成本高，生产效率低,同时复合材料界面容易受到污染，界面反应严重。基于这种情况，本文采用了搅拌摩擦加工法制备了碳纳米管（CarbonNano-tubes，CNTs）增强铜基复合材料，由于搅拌摩擦加工法特有的无污染、可重复性强、低能耗、可操作性强等特点，且搅拌摩擦加工具有的过程可控性能够满足各种加工要求的复合材料的制备，在未来的复合材料加工制备研究中将具有十分重要的地位。2试验材料及方法试验材料采用T2紫铜试板，试验选用了两种规格尺寸的试板，分别为150mm×60mm×6mm和150mm×60mm×2mm。纳米增强相为多壁碳纳米管,直径为10~20nm，长度为5~15μm，纯度大于98%。试验采用自制的搅拌摩擦加工设备，选用搅拌头如图1所示：搅拌针直径为12mm，搅拌针长度为5mm，轴肩直径为25mm，搅拌针螺纹为左旋，为提高制备复合材料过程中金属的流动性，在搅拌针部分带有螺纹的圆周上均布了三个半径为R2的半圆。
试验过程如下：用丙酮擦去试板表面污垢，对6mm厚的试板进行钻孔填增强相碳纳米管，并压实，为了防止在制备过程中碳纳米管的溢出，将已添加碳纳米管的6mm厚的铜板以盲孔法向相反的方向叠加在一块2mm厚的铜垫板上，装夹固定在搅拌摩擦加工设备的试验台上进行往返挤压制备复合材料，搅拌摩擦加工过程示意图如图2所示。
采用搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强铜基复合材料的工艺参数见附表，复合后截取试样的横截面用不同的砂纸打磨，抛光。对抛光后的试样采用氯化铁的腐蚀剂进行腐蚀5~10s。
3试验结果与分析3.1倾斜角度对复合材料成形的影响图3为在旋转速度为750r/min，挤压速度为30mm/min，挤压次数为3次时不同倾斜角度下复合材料的横截面形貌图。由图3（a）可知在倾斜角度为1°时在复合材料的中上部出现了比较明显的隧道孔和孔洞缺陷，而且CNTs在铜基体中分布极不均匀，出现了大面积的CNTs团聚区，复合区的宽度较小。从图3（b）和（c）可以看出随着倾斜角度的增加，复合材料中的隧道孔和孔洞缺陷逐渐消失，复合区的宽度也趋于增加，CNTs在铜基体中的分布趋于均匀化，并且在图3（c）中基本上出现没有明显的CNTs团聚，复合区的成形也较好。由图3（d）可知随着倾斜角度进一步加大，虽然CNTs的分布宽度有增大的趋势，但是复合区成形较差，复合材