劉 慧，郭 ?。?/p>

（安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

碳納米管(CNTs)具備優(yōu)異的強(qiáng)度、抗疲勞性和各向同性等優(yōu)點(diǎn)，憑借其超強(qiáng)的力學(xué)性能成為復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。但同時(shí)，碳納米管比表面積大，比表面能高，加上范德華力作用，在制備過程中會(huì)有很強(qiáng)的團(tuán)聚趨向。此外碳納米管潤濕性較差，難以與金屬基體形成牢固的結(jié)合界面，從而影響了碳納米管增強(qiáng)效果的發(fā)揮。

在CNTs分散方面目前通過球磨、超聲波處理、原位合成等方法已經(jīng)得到了很好的解決；在改善潤濕性方面可以利用電鍍或者涂覆技術(shù)在碳納米管添加基體金屬層，如鍍Cu[1]、Ni[2]、Co[3]的方法，但制備過程相對復(fù)雜。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知：Mg元素可以改善Ti的潤濕性[4]，可細(xì)化晶粒[5]，所以本文在制備復(fù)合材料的過程中加入少量的Mg，研究分析Mg元素對合材料的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)使用的基體材料是粒度300目的鈦、鋁粉，其中Ti粉純度為99.14%，還有0.03%的H，Al粉純度為98.89%。

碳納米管具體參數(shù)為：管徑40nm～60nm，管長5μm～15μm，純度＞95%，灰分＜3%。

1.2 試驗(yàn)方法

將原始Ti粉和Al粉按原子比為52:48配比，將Ti粉充氫球磨6h，再加入配比好的Al、Mg粉充氫球磨2h，其中球磨轉(zhuǎn)速400r/min，充氫氣5MPa。然后將混合粉末與酸洗提純的碳納米管潤濕球磨得到復(fù)合粉末，球磨轉(zhuǎn)速為150r/min。復(fù)合粉末在900℃下進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)1h制備復(fù)合材料，燒結(jié)壓力為34MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Mg含量對復(fù)合材料顯微形貌的影響與能譜分析

圖1 復(fù)合材料的顯微形貌和EDS分析(a:1.0at.%Mg；b:2.0at.%Mg；c:3.0at.%Mg)

圖a Al-K Ti-K pt1 35.79 64.21 pt2 58.66 41.34圖b Al-K Ti-K pt1 37.56 62.44 pt2 47.43 52.57圖c Mg-K Al-K Ti-K pt1 0.87 99.13 pt2 37.08 62.92 pt3 2.87 35.69 61.44

圖1是添加不同含量的Mg制備出的復(fù)合材料的顯微組織形貌和EDS分析結(jié)果。

從圖1(a)可以看出在Mg含量為1.0at.%時(shí)，復(fù)合材料的組織形貌主要由塊狀組織和更細(xì)小的顆粒組織構(gòu)成，能譜分析結(jié)果表明：相對于顆粒狀組織中的Ti、含量，塊狀組織中的Ti含量相對較高，Al則相反，根據(jù)EDS分析結(jié)果，塊狀組織中Ti：Al含量比為1.62～1.79，推測成分為Ti2A，顆粒狀組織中Al：Ti含量比為0.58～1.41，推測其為TiAl和Al3Ti。

當(dāng)Mg含量為2.0at.%時(shí)，塊狀組織面積增大（見圖1(b)），還出現(xiàn)了層片狀組織，這種組織的存在可以改善韌性。

Mg為3.0at.%，塊狀組織開始集中且變大（見圖1(c)），在中心部位出現(xiàn)部分黑色非層片狀組織，EDS分析可知其主要為Ti元素，推測由于過量的Mg導(dǎo)致Ti、Al反應(yīng)不充分，此外還發(fā)現(xiàn)以Mg元素為主的孔隙。

2.2 Mg元素含量對復(fù)合材料顯微硬度影響

添加1.0at.%Mg，復(fù)合材料顯微硬度提高24.1%(相對未添加Mg)，少量的Mg元素可以提高Ti合金與CNTs的潤濕性，促進(jìn)了合金材料的合成。當(dāng)Mg為2.0at.%時(shí)，復(fù)合材料的硬度下降，基體中的層片狀組織可以改善材料塑性但會(huì)降低硬度。繼續(xù)添加Mg元素，復(fù)合材料的顯微硬度顯著降低，這是由于過量的Mg原子生成孔隙，材料相對致密度降低。

表1 復(fù)合材料的顯微硬度

2.3 Mg元素對復(fù)合材料斷口CNTs的影響

從圖2可以看出，斷口處的CNTs存在撕斷現(xiàn)象，證實(shí)CNTs作為增強(qiáng)體可提高復(fù)合材料強(qiáng)度。隨著Mg含量的提高，斷口處的CNTs發(fā)生斷裂和剝落。在燒結(jié)過程中汽化的Mg元素促使CNTs與基體潤濕，兩者之間的結(jié)合強(qiáng)度加強(qiáng)。當(dāng)Mg含量為3.0at.%時(shí)，斷口處除發(fā)現(xiàn)CNTs外，還有部分多孔組織(見圖2(c))，這是由于過量的Mg元素汽化后殘留在材料中。

圖2 復(fù)合材料斷口CNTs形貌(a:1.0at.%Mg；b:2.0at.%Mg；c:3.0at.%Mg)

3 結(jié)論

添加1.0at%Mg促使材料組織均勻細(xì)化；當(dāng)Mg含量為2.0at.%時(shí)，材料內(nèi)部出現(xiàn)層片狀組織，該組織會(huì)降低材料硬度；當(dāng)Mg含量增加至3.0at.%時(shí)，層片狀組織中出現(xiàn)了未完全反應(yīng)的Ti。分析復(fù)合材料的斷口形貌發(fā)現(xiàn)，斷口處CNTs發(fā)生斷裂，這也證實(shí)Mg元素可加強(qiáng)基體與CNTs的結(jié)合。