黃顯吞，李永鋒，卿培林

（1.百色學院材料科學與工程學院，廣西百色533000；2.廣西強強碳素股份有限公司，廣西平果531400）

碳納米管/SiC混雜增強對Al-Mg合金線材的影響

黃顯吞1，李永鋒2，卿培林1

（1.百色學院材料科學與工程學院，廣西百色533000；2.廣西強強碳素股份有限公司，廣西平果531400）

混雜復合材料由于各種增強材料不同性質(zhì)的相互補充和彌補，特別是由于產(chǎn)生混雜效應將明顯提高或改善原單一增強材料的某些性能和部分功能，同時也大大降低復合材料的原料費用。鑒于碳納米管單相增強和SiC單相顆粒增強鋁基復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Al-Mg合金材料等方面的應用及影響，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

鋁基復合材料由于具有高比強度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)以及抗疲勞性強等一系列優(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)增強的鋁基復合材料，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。

正因為如此，Al-M g合金絲線與傳統(tǒng)純銅圓線相比具有更大優(yōu)勢和特性，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，通訊和保密安全系數(shù)高，抗拉壓系數(shù)增強，極大拓寬和發(fā)展了Al-M g合金絲線的應用市場以及推廣應用。鑒于碳納米管和SiC顆粒各自均能增強并有效改善Al-M g合金材料的綜合性能，那么，混雜復合材料由于各自增強材料不同性質(zhì)的相互補充和互相促進，為此，文章主要介紹碳納米管/SiC混雜增強對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度（達到150 G P a）、極高的彈性模量（可達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)成為眾多材料科學研究工作者關(guān)注和研究的耀眼焦點。經(jīng)科學研究發(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結(jié)構(gòu)狀態(tài)的納米級管狀材料組成的幾何無縫石墨管，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和反應，它們之間的化學鍵很難斷裂或者被破壞掉，從而使碳納米管具有很高的強度、極高的彈性模量（幾乎跟金剛石的彈性模量相當）[2]。因此，碳納米管強度大約是鋼的100倍，彈性應變則約為鋼的60倍，而密度只有鋼的六分之一左右。而且，碳納米材料的長徑比一般都在1 000:1以上，這樣使其不但具有良好的強度、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性質(zhì)，以致電導率可達銅的1萬倍[3-4]。由于碳納米管具有超強的力學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、增韌和超導復合材料。

而SiC/Al復合材料不但具有較高的比強度、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。鋁基復合材料的增強體主要有以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體材料制造成本很高、價格昂貴；而SiC顆粒的成本低、價格低廉，能夠在單向應力狀態(tài)下，使鋁基復合材料呈現(xiàn)良好的性能，并在二向、三向應力等方面狀態(tài)下，SiC/Al復合材料將體現(xiàn)出更加良好的各向同性特點。正是因為SiC顆粒增強金屬基復合材料克服了纖維和晶須增強復合材料成本高、價格昂貴以及生產(chǎn)工藝技術(shù)過程復雜等不足和缺點，因而在增強鋁基復合材料以及Al-M g合金絲線材等技術(shù)領(lǐng)域方面得到廣泛應用和推廣。

2 混雜增強的研究意義

正是由于碳納米管具有許多優(yōu)異的力學、電學等物理性能和獨特的化學性能，若能將碳納米管與Al-M g合金絲材料有機結(jié)合起來，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，這樣就將大大提高Al-M g合金絲材料的各種性能。而正因為碳納米管擁有許多優(yōu)異的性能，是非常理想的一維納米增強、增韌和增導材料，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就被視為很理想的Al-M g合金絲材料增強體。但是碳納米管材料表面比較光滑，化學性質(zhì)又相對穩(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，很難將它們有機結(jié)合在一起。而且碳納米管與金屬基體本身的潤濕性較差，需要對其進行各種表面技術(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)勢性質(zhì)又可以與其他材料地有機結(jié)合在一起，有效完善基體材料的各種性能，從而達到增強鋁基復合材料以及Al-M g合金絲線材性能的目的。

同時，鑒于SiC單相顆粒增強和碳納米管單相增強鋁基復合材料均能非常有效改善Al-M g合金絲線材料的性能，那么混雜復合材料就由于各種增強材料之間不同性質(zhì)的相互補充和促進，特別是由于它們之間產(chǎn)生混雜效應后將明顯提高或改善原單一增強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Z L102復合材料鑄件性能的影響，發(fā)現(xiàn)在SiC體積分數(shù)低于12%時，復合材料的硬度隨SiC含量的增加而增大。張靜等[6]研究了SiC和Si混合顆粒增強鋁基復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，復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Al-30Si復合材料的抗拉強度得到明顯增大和提高。

3 混雜增強對Al-Mg合金材料的影響

為了能夠在增強鋁基復合材料以及Al-M g合金絲線材中形成良好的界面結(jié)合，其中要求增強材料與基體之間必須具有良好的浸潤性，而其中對增強材料進行預處理是解決界面結(jié)合與界面反應問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合材料進行結(jié)合，發(fā)現(xiàn)當碳納米管的體積分數(shù)小于5.0%時，復合材料的硬度隨碳納米管含量的增加而線性上升；而且其中體積分數(shù)為5.0%碳納米管和納米鋁復合增強效果最好，其硬度可達2.89 G P a，是粗晶鋁的20倍。N o g u c h i等[9]將體積分數(shù)為1.6%的多壁碳納米管與純鋁進行復合，研究發(fā)現(xiàn)體積分數(shù)為1.6%碳納米管/鋁復合材料的屈服強度是純鋁的7倍。由于碳納米管與鋁基體各自結(jié)構(gòu)相差較大，當中不同制備方法和工藝對其力學性能產(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Al-Si合金，當碳納米管的質(zhì)量分數(shù)為10%時，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復合材料，實驗結(jié)果表明，當C N T體積分數(shù)為1.5%時，力學性能達到了最高值，屈服強度相對于純Al基體提高了53.6%.

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

3 技術(shù)路線及制備方法

3.1 技術(shù)路線

開展以碳納米管/SiC混雜增強Al-M g合金材料的研究以及應用應按圖1所示技術(shù)路線與方法進行。

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，當分散與復合時都存在較大難度。同時有害界面反應也會破壞碳納米管結(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]、原位化學氣相沉積法[16]以及熔融浸滲法[17]等碳納米管增強鋁基復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，極大嚴重制約碳納米管增強鋁基復合材料的規(guī)?；苽渑c應用。同時，要更進一步深化和優(yōu)化以上方法將碳納米管與SiC進行混雜以增強Al-M g合金材料。那么，探討如何克服鋁基復合材料突出的界面問題，并研究在制備過程如何通過熱處理手段來改善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中有其他副反應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)的突出問題。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的快速進步與發(fā)展，有關(guān)碳納米管/SiC混雜增強Al-M g合金絲線材的研究工作也將不斷深入和完善，但對其強化機理認識尚不十分清楚。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復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、保溫時間等）對復合材料性能的影響規(guī)律；進一步優(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混雜增強鋁基復合材料以及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)系等微觀強化將是今后研究重點，探索碳納米管/SiC混雜增強鋁鎂合金絲線材料的混雜增強機理，為該類復合材料的推廣應用提供依據(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。

廣西自然科學基金資助研究項目(2014GXNSFAA118346）；廣西高校特色專業(yè)及課程一體化建設(shè)項目（GXTSZY024）