黃顯吞，李永鋒，卿培林

（1.百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西百色533000；2.廣西強(qiáng)強(qiáng)碳素股份有限公司，廣西平果531400）

碳納米管/SiC混雜增強(qiáng)對(duì)Al-Mg合金線材的影響

黃顯吞1，李永鋒2，卿培林1

（1.百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西百色533000；2.廣西強(qiáng)強(qiáng)碳素股份有限公司，廣西平果531400）

混雜復(fù)合材料由于各種增強(qiáng)材料不同性質(zhì)的相互補(bǔ)充和彌補(bǔ)，特別是由于產(chǎn)生混雜效應(yīng)將明顯提高或改善原單一增強(qiáng)材料的某些性能和部分功能，同時(shí)也大大降低復(fù)合材料的原料費(fèi)用。鑒于碳納米管單相增強(qiáng)和SiC單相顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料均能有效改善Al-Mg合金絲線材料的性能，文章闡述了碳納米管/SiC混雜增強(qiáng)Al-Mg合金材料等方面的應(yīng)用及影響，提出今后的發(fā)展方向。

碳納米管；SiC顆粒；Al-Mg合金；混雜增強(qiáng)

鋁基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)以及抗疲勞性強(qiáng)等一系列優(yōu)良的品質(zhì)與性能，特別是顆粒、短纖維與晶須等一系列非連續(xù)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，因其具有非常良好的可再加工性和尺寸穩(wěn)定性而及其備受人們廣泛關(guān)注和青睞。而Al-M g合金線絲材料是以金屬鋁為基本原材料，其中主要添加元素為金屬鎂，主要采用鋁錠、鎂錠以及中間微量合金按照一定分配比例配制，制造工藝技術(shù)中主要采用鋁鎂合金絲線原材料經(jīng)過(guò)熔煉、平引鑄桿、第一次拉拔、退火、第二次拉拔以及第二次退火和第三次拉拔等幾道常規(guī)工序制造并生產(chǎn)成鋁鎂合金絲線材。以此配比、設(shè)備及技術(shù)工藝生產(chǎn)而成的Al-M g合金絲線材具有可替代傳統(tǒng)純銅圓線產(chǎn)品作為芯線推廣和使用的廣闊應(yīng)用前景，是現(xiàn)代正在興起的寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)絡(luò)線纜的主要配套產(chǎn)品。

正因?yàn)槿绱耍珹l-M g合金絲線與傳統(tǒng)純銅圓線相比具有更大優(yōu)勢(shì)和特性，其內(nèi)部成分組成與結(jié)構(gòu)決定Al-M g合金絲線不但是目前最輕的金屬構(gòu)件材料，而且Al-M g合金絲線可編織性與屏蔽性強(qiáng)，通訊和保密安全系數(shù)高，抗拉壓系數(shù)增強(qiáng)，極大拓寬和發(fā)展了Al-M g合金絲線的應(yīng)用市場(chǎng)以及推廣應(yīng)用。鑒于碳納米管和SiC顆粒各自均能增強(qiáng)并有效改善Al-M g合金材料的綜合性能，那么，混雜復(fù)合材料由于各自增強(qiáng)材料不同性質(zhì)的相互補(bǔ)充和互相促進(jìn)，為此，文章主要介紹碳納米管/SiC混雜增強(qiáng)對(duì)Al-M g合金絲線材性能的影響。

1 碳納米管及SiC的特性

碳納米管是著名日本科學(xué)家L i j i m a[1]在1991年發(fā)現(xiàn)的碳的同素異形體石墨、金剛石、巴基球和無(wú)定性碳這四種碳素異形體以后的第五種碳的同素異形體材料。由于碳納米管具有很高的抗拉強(qiáng)度（達(dá)到150 G P a）、極高的彈性模量（可達(dá)1.8 T P a）以及低密度（僅為1.8 g/c m3）等傳統(tǒng)材料所無(wú)法比擬的優(yōu)異特性和品質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)成為眾多材料科學(xué)研究工作者關(guān)注和研究的耀眼焦點(diǎn)。經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管是由單層或者多層六邊形石墨片發(fā)生卷曲而成的兩端呈閉合或打開(kāi)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的納米級(jí)管狀材料組成的幾何無(wú)縫石墨管，碳納米管中擁有大量交替存在的C=C雙鍵和C-C單鍵，這些單雙鍵使得它們相互之間形成共軛效應(yīng)和反應(yīng)，它們之間的化學(xué)鍵很難斷裂或者被破壞掉，從而使碳納米管具有很高的強(qiáng)度、極高的彈性模量（幾乎跟金剛石的彈性模量相當(dāng)）[2]。因此，碳納米管強(qiáng)度大約是鋼的100倍，彈性應(yīng)變則約為鋼的60倍，而密度只有鋼的六分之一左右。而且，碳納米材料的長(zhǎng)徑比一般都在1 000:1以上，這樣使其不但具有良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性和各向同性，而且具有特殊而不可思議的電學(xué)性質(zhì)，以致電導(dǎo)率可達(dá)銅的1萬(wàn)倍[3-4]。由于碳納米管具有超強(qiáng)的力學(xué)性能和完美的一維結(jié)構(gòu)狀態(tài)，所以被看作是理想的輕量化結(jié)構(gòu)Al-M g合金絲線材用增強(qiáng)、增韌和超導(dǎo)復(fù)合材料。

而SiC/Al復(fù)合材料不但具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、彈性模量和低的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良的物理性能，而且制作制造成本低。鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體主要有以SiC成分組成的纖維、晶須和顆粒這三種形式狀態(tài)。早期研究SiC的單絲、纖維和晶須這三種增強(qiáng)體材料制造成本很高、價(jià)格昂貴；而SiC顆粒的成本低、價(jià)格低廉，能夠在單向應(yīng)力狀態(tài)下，使鋁基復(fù)合材料呈現(xiàn)良好的性能，并在二向、三向應(yīng)力等方面狀態(tài)下，SiC/Al復(fù)合材料將體現(xiàn)出更加良好的各向同性特點(diǎn)。正是因?yàn)镾iC顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料克服了纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料成本高、價(jià)格昂貴以及生產(chǎn)工藝技術(shù)過(guò)程復(fù)雜等不足和缺點(diǎn)，因而在增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以及Al-M g合金絲線材等技術(shù)領(lǐng)域方面得到廣泛應(yīng)用和推廣。

2 混雜增強(qiáng)的研究意義

正是由于碳納米管具有許多優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)等物理性能和獨(dú)特的化學(xué)性能，若能將碳納米管與Al-M g合金絲材料有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在基本的Al-M g合金絲材料的基體上充分發(fā)揮碳納米管的各種性能優(yōu)勢(shì)，這樣就將大大提高Al-M g合金絲材料的各種性能。而正因?yàn)樘技{米管擁有許多優(yōu)異的性能，是非常理想的一維納米增強(qiáng)、增韌和增導(dǎo)材料，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就被視為很理想的Al-M g合金絲材料增強(qiáng)體。但是碳納米管材料表面比較光滑，化學(xué)性質(zhì)又相對(duì)穩(wěn)定，若將碳納米管材料直接與Al-M g合金絲材料混合和混雜，很難將它們有機(jī)結(jié)合在一起。而且碳納米管與金屬基體本身的潤(rùn)濕性較差，需要對(duì)其進(jìn)行各種表面技術(shù)處理。所以，一些企業(yè)通常采用表面改性等技術(shù)方法既能保留原有優(yōu)勢(shì)性質(zhì)又可以與其他材料地有機(jī)結(jié)合在一起，有效完善基體材料的各種性能，從而達(dá)到增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以及Al-M g合金絲線材性能的目的。

同時(shí)，鑒于SiC單相顆粒增強(qiáng)和碳納米管單相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料均能非常有效改善Al-M g合金絲線材料的性能，那么混雜復(fù)合材料就由于各種增強(qiáng)材料之間不同性質(zhì)的相互補(bǔ)充和促進(jìn)，特別是由于它們之間產(chǎn)生混雜效應(yīng)后將明顯提高或改善原單一增強(qiáng)材料的某些性能或部分性能。例如，張恩霞等[5]研究了SiC含量對(duì)Z L102復(fù)合材料鑄件性能的影響，發(fā)現(xiàn)在SiC體積分?jǐn)?shù)低于12%時(shí)，復(fù)合材料的硬度隨SiC含量的增加而增大。張靜等[6]研究了SiC和Si混合顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)在Al基體中添加Si后可有效抑制SiC顆粒與Al的界面反應(yīng)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨Si含量的增加而降低。何昊等[7]研究了SiC顆粒表面處理后使SiC和Si混合顆粒增強(qiáng)Al-30Si復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度得到明顯增大和提高。

3 混雜增強(qiáng)對(duì)Al-Mg合金材料的影響

為了能夠在增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以及Al-M g合金絲線材中形成良好的界面結(jié)合，其中要求增強(qiáng)材料與基體之間必須具有良好的浸潤(rùn)性，而其中對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行預(yù)處理是解決界面結(jié)合與界面反應(yīng)問(wèn)題的有效途徑和方法。例如：Z h o n g等[8]將單壁碳納米管與納米鋁復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳納米管的體積分?jǐn)?shù)小于5.0%時(shí)，復(fù)合材料的硬度隨碳納米管含量的增加而線性上升；而且其中體積分?jǐn)?shù)為5.0%碳納米管和納米鋁復(fù)合增強(qiáng)效果最好，其硬度可達(dá)2.89 G P a，是粗晶鋁的20倍。N o g u c h i等[9]將體積分?jǐn)?shù)為1.6%的多壁碳納米管與純鋁進(jìn)行復(fù)合，研究發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為1.6%碳納米管/鋁復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度是純鋁的7倍。由于碳納米管與鋁基體各自結(jié)構(gòu)相差較大，當(dāng)中不同制備方法和工藝對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。例如：L a h a等[10]利用等離子噴涂方法制備碳納米管增強(qiáng)Al-Si合金，當(dāng)碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，Al-Si合金的顯微硬度有明顯提高。許世嬌等[11]采用粉末冶金的方法制備了C N T/Al復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)C N T體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，力學(xué)性能達(dá)到了最高值，屈服強(qiáng)度相對(duì)于純Al基體提高了53.6%.

近年來(lái)，采用雙相或多相顆?；祀s增強(qiáng)的鋁基材料也已引起人們的極大重視?；祀s復(fù)合材料由于各種增強(qiáng)材料不同性質(zhì)的相互補(bǔ)充和彌補(bǔ)，特別是由于產(chǎn)生混雜效應(yīng)將明顯提高或改善原單一增強(qiáng)材料的某些性能，同時(shí)也能大大降低復(fù)合材料的原料費(fèi)用。為此，趙德剛等[12]采用攪拌鑄造和原位反應(yīng)合成相結(jié)合的方法，制備了（T i B2+SiC）／Z L109復(fù)合材料，彌補(bǔ)了單一SiC顆粒強(qiáng)化的不足，其制備出的復(fù)合材料的硬度比基體提高34.8%.李忠華等[13]采用原位反應(yīng)合成（T i B2+Al3T i）/A16Si4C u復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度、硬度比鋁合金基體分別提高20%和29.6%.由此可以明顯看到，多相混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究必將成為下一步研究的熱點(diǎn)。鑒于SiC單相顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、碳納米管單相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料各自均能非常有效改善鋁鎂合金基體材料的基本性能，因而開(kāi)展以碳納米管/SiC混雜增強(qiáng)Al-M g合金材料的研究以及應(yīng)用將是現(xiàn)代社會(huì)大勢(shì)所趨的方向。

3 技術(shù)路線及制備方法

3.1 技術(shù)路線

開(kāi)展以碳納米管/SiC混雜增強(qiáng)Al-M g合金材料的研究以及應(yīng)用應(yīng)按圖1所示技術(shù)路線與方法進(jìn)行。

圖1 技術(shù)路線圖

3.2 制備方法

由于碳納米管與基體鋁鎂之間的密度差異大，而且碳納米管本身又具有巨大的表面積，當(dāng)分散與復(fù)合時(shí)都存在較大難度。同時(shí)有害界面反應(yīng)也會(huì)破壞碳納米管結(jié)構(gòu)，并生成脆性相，從而也不利于載荷的有效傳遞和傳輸。所以，目前主要有粉末冶金法[14]、等離子噴涂法[15]、原位化學(xué)氣相沉積法[16]以及熔融浸滲法[17]等碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的常用制備技術(shù)方法，其中，特別是以粉末冶金法的應(yīng)用最為普遍和常規(guī)。但是作為需要間歇式制備技術(shù)工藝的壓力燒結(jié)，其中所涉及和使用的設(shè)備非常昂貴，因此，現(xiàn)階段難以形成批量化和連續(xù)化生產(chǎn)制備，極大嚴(yán)重制約碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的規(guī)?；苽渑c應(yīng)用。同時(shí)，要更進(jìn)一步深化和優(yōu)化以上方法將碳納米管與SiC進(jìn)行混雜以增強(qiáng)Al-M g合金材料。那么，探討如何克服鋁基復(fù)合材料突出的界面問(wèn)題，并研究在制備過(guò)程如何通過(guò)熱處理手段來(lái)改善Al-M g合金線材的各方面綜合性能；深化如何利用由于熱失配造成的內(nèi)、外應(yīng)力使材料均能服役于各種環(huán)境溫度；解決如何避免原位反應(yīng)中有其他副反應(yīng)夾雜物存在等這些都是亟待研究解決的本行業(yè)制備工藝技術(shù)的突出問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步與發(fā)展，有關(guān)碳納米管/SiC混雜增強(qiáng)Al-M g合金絲線材的研究工作也將不斷深入和完善，但對(duì)其強(qiáng)化機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不十分清楚。所以研究改變碳納米管/SiC的成分配比，探討不同成分配比時(shí)復(fù)合材料組織和性能的關(guān)系變化，建立碳納米管/SiC配比-熱處理工藝-析出相結(jié)構(gòu)-材料性能之間的關(guān)系圖譜；研究不同熱處理工藝（加熱溫度、保溫時(shí)間等）對(duì)復(fù)合材料性能的影響規(guī)律；進(jìn)一步優(yōu)化各種工藝參數(shù)，制備出綜合性能優(yōu)良的碳納米管/SiC混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以及Al-M g合金絲線材料；建立并完善碳納米管/SiC成分配比-熱處理工藝方法-析出相結(jié)構(gòu)分析-材料性能之間的圖譜關(guān)系等微觀強(qiáng)化將是今后研究重點(diǎn)，探索碳納米管/SiC混雜增強(qiáng)鋁鎂合金絲線材料的混雜增強(qiáng)機(jī)理，為該類(lèi)復(fù)合材料的推廣應(yīng)用提供依據(jù)和參考。

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CNT/SiC Mixed Enhancement Effect on Al-Mg Alloy Material

HUANG Xian-tun1,LI Yong-feng2,QING Pei-lin1
（1.Department of Materials Science and Engineering，Baise College，Baise Guangxi 533000，China；2.Guangxi qiangqiang carbon CO.,LTD.，Pingguo Guangxi 531400，China）

Some property and function of the hybrid composites are obviously increased or improved because of the mutual quality complementation of various reinforcing materials,especially the hybrid effect.The raw material cost of the composite material are greatly reduced.Because both the SiC single-phase particles and CNT reinforced aluminum matrix composites are effectively improves the performance of the Al-Mg alloy material,the article expounds the application and effect of CNT/SiC hybrid reinforced Al-Mg alloy materials,put forward the development direction in the future.

CNT,SiC particles，Al-Mg alloy，hybrid enhancement

TG 146.2+1

A

1674-6694（2016）06-0034-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.06.011

2016-09-11

黃顯吞（1969-），男，碩士，副教授，主要從事金屬功能材料研究。

廣西自然科學(xué)基金資助研究項(xiàng)目(2014GXNSFAA118346）；廣西高校特色專(zhuān)業(yè)及課程一體化建設(shè)項(xiàng)目（GXTSZY024）