董 芳

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

碳納米管（CNT）具有優(yōu)異的機(jī)械，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性性能，以CNT作為增強(qiáng)體的Al基復(fù)合材料（CNT/Al）在航空航天、汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但CNT/Al界面結(jié)合弱，無(wú)法充分發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異性能，界面的構(gòu)造及形成規(guī)律直接影響復(fù)合材料的綜合性能，因此界面調(diào)控是CNT/Al復(fù)合材料性能調(diào)控的最關(guān)鍵的一環(huán)。對(duì)于CNT/Al復(fù)合材料界面調(diào)控的研究，主要集中在以下3個(gè)方面：復(fù)合材料制備工藝優(yōu)化、CNT表面改性以及鋁基體合金化。

1 CNT/Al復(fù)合材料的制備工藝

CNT增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法大致可以分為液相法、固相法以及原位生成法等。

1.1 液相法

液相法是將增強(qiáng)體顆粒直接加入或者先制成復(fù)合材料預(yù)制塊間接加入金屬熔體中，通過(guò)攪拌，最后冷卻得到復(fù)合材料。但制備過(guò)程中界面反應(yīng)不易控制，尤其是增強(qiáng)顆粒和鋁基體的反應(yīng)。浙江大學(xué)的Zhou等人將CNT和Al粉末混合物在300rpm下球磨7h，并將所得粉末壓制成預(yù)制品。該預(yù)制品在800℃下在N2氣氛中由LY12鋁合金自發(fā)滲透，制備CNT/Al的復(fù)合材料，其中含15 vol.% CNT的復(fù)合材料其摩擦系數(shù)和磨損率最低[1]。

1.2 固相法

固相法只要包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法以及放電等離子燒結(jié)（SPS）等。為提高致密度和CNT分散性、提高樣品強(qiáng)度，通常結(jié)合擠壓、軋制、攪拌摩擦焊、鍛造或者幾種作為二次加工工序。

日本東北大學(xué)的Kawasaki等人采用SPS法制備復(fù)合材料，最終使CNT單向排列到基體中。CNT/Al復(fù)合材料的YS和UTS隨著CNT濃度（0～1.5vol.%）增加線性增加，添加1.5vol.% CNT的YS為134.5 MPa，比燒結(jié)純Al高出62.4%[2]。

1.3 CNT原位生成法

CNT的原位生成法是指在金屬顆粒表面直接生成CNT。但生成CNT過(guò)程中采用的碳源是可燃性氣體，使得該方法具有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)產(chǎn)量較低，限制了其應(yīng)用。天津大學(xué)何春年等人首先通過(guò)在Al粉表面均勻沉降并還原出一層尺寸為5~20nm的活性鎳顆粒，然后以鎳顆粒為催化劑，在630℃下將CH4-N2-H2混合物催化分解，在該粉末上生成CNT，達(dá)到均勻分散CNT的目的。

此方法制得的(5.0 wt.% CNT-1.0wt.%Ni) /A1復(fù)合材料強(qiáng)度從純鋁基體的140 MPa提高到398 MPa，而用機(jī)械球磨法制得的同樣成分的復(fù)合材料強(qiáng)度為213 MPa[3]。

2 CNT表面改性

CNT表面改性的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變其表面的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，提高其表面活性，從而改善CNT與鋁基體之間的相容性，抑制其團(tuán)聚。主要方法有CNT表面氧化以及表面鍍覆處理。

日本東北大學(xué)的Kawasaki等人為了使原始多壁碳納米管表面功能化且沒(méi)有嚴(yán)重破壞CNT結(jié)構(gòu)完整性，他們通過(guò)溫和酸處理進(jìn)行了改性。將適量的經(jīng)酸處理的CNT和Al粉末分別分散在乙醇中，超聲處理1h，然后進(jìn)行懸浮液的最終混合，結(jié)果表明CNT在基體中分散均勻[4]。

表1 CNT/Al復(fù)合材料力學(xué)性能

3 鋁基體合金化

基體合金化是指在鋁基體中添加少量的合金元素，例如Si、Cr等元素。通過(guò)合金元素與CNT之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一定厚度的界面反應(yīng)層，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)抑制CNT與鋁基體之間發(fā)生反應(yīng)生成易水解的A14C3。

美國(guó)佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)的Bakshi等人用模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法證實(shí)，在CNT/A1-11.6 wt.%Si復(fù)合材料中界面處會(huì)形成A14C3產(chǎn)物，而在CNT/A1-23wt.%Si中界面處會(huì)形成SiC產(chǎn)物，這表明可以通過(guò)Si元素含量調(diào)控界面處的產(chǎn)物類型[5]。

綜上所述，固相法以及后續(xù)加工是制備CNT/A1復(fù)合材料最為理想的方法，它可以有效地分散CNT，并且由于制備溫度低[6]，碳管的損傷及界面反應(yīng)可以控制，可大批量生產(chǎn)，但是具體到一些制備參數(shù)的選擇，仍然需要進(jìn)行探索[7]。

4 CNT增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能

制備CNT/Al復(fù)合材料的主要目的是提高基體的強(qiáng)度及模量[8]。2005年，印度拉邁亞技術(shù)學(xué)院的George等人采用真空熱壓燒結(jié)結(jié)合擠壓制備CNT/Al復(fù)合材料，首次實(shí)現(xiàn)CNT的強(qiáng)化效果，使復(fù)合材料的性能和模量都得到提高[9]。

隨后，大批的研究者采用不同的制備方法制備CNT/Al復(fù)合材料并取得了較大進(jìn)展，復(fù)合材料的力學(xué)性能較基體得到了提高[10]。表1給出了固相法結(jié)合二次加工法制備CNT/Al復(fù)合材料的性能，可以看出，固相法結(jié)合二次加工制備高強(qiáng)CNT/Al復(fù)合材料具有較大優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

CNT是具有優(yōu)異的機(jī)械和熱性能的碳材料。如果充分發(fā)揮其性能，相應(yīng)的鋁復(fù)合材料將成為最受歡迎的可用于結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的材料[11]。

未來(lái)CNT/Al復(fù)合材料界面調(diào)控的研究可從納米顆粒修飾CNT表面缺陷、A1基體表面原位Al2O3調(diào)控以及合理的復(fù)合構(gòu)型設(shè)計(jì)等這幾個(gè)方面出發(fā)，獲得更加理想的復(fù)合界面和增強(qiáng)效益。

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