CNTs-SiC复合颗粒的制备及其对铝基复合材料性能的影响

碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)增强铝基复合材料(Aluminum Matrix Composites,AMCs)有望在力学性能和导热导电等物理性能方面相比铝合金得到有效提高。然而CNTs存在分散困难以及CNTs与Al界面反应难以控制等技术难点。针对以上问题,本文提出对CNTs表面进行纳米SiC复合化处理制备出CNTs-SiC复合颗粒,以降低CNTs比表面积促进其在AMCs中均匀分散,改善CNTs与A1基体之间的界面相容性;采用“湿法球磨-放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)-热挤压”方法制备出致密的CNTs-SiC/Al复合材料;并研究CNTs-SiC含量对AMCs致密化行为、微观组织演变、热学性能及力学性能的影响规律。首先采用溶液混合的方法,通过添加1 wt%(Si和CNTs总质量)含量的高分子表面活性剂(聚乙烯吡咯烷酮),PVP作为分散剂,结合机械搅拌和超声分散均匀混合CNTs和Si粉,并研究热处理温度对CNTs-Si之间反应以及对CNTs-SiC结构与成分的影响规律,以制备CNTs表面具有均匀SiC复合层的CNTs-SiC复合颗粒。在此基础上,采用行星球磨工艺,将一定比例的CNTs-SiC与铝粉混合并球磨以制备CNTs-SiC/Al复合粉末。在烧结温度为630℃,压力40MPa及保温1h的条件下,对混合粉末进行SPS烧结成型。分析结果表明,AMCs均可获得99%以上的相对密度,实现致密化。显微分析表明,分布于片状A1粉表面的CNTs-SiC,在垂直于烧结压力方向的平面上呈层状取向性排列(即纤维沿平面分布),形成复合材料的一种复合构型,并且有利于CNTs-SiC轴向高导热特性的发挥。结果表明,随着CNTs-SiC含量的增加,CNTs-SiC/Al复合材料仍可实现致密;然而作为对照组的CNTs或纳米SiC增强AMCs,致密度则随着含量的增加而不断下降。AMCs物相组成表明,CNTs表面的纳米SiC复合层,有效的抑制CNTs与A1之间的界面反应,减少界面产物A14C3硬脆相的生成。此外,表面复合SiC可降低CNTs自身因范德华力而产生的团聚趋势,改善其在Al基体中的分散性并提高CNTs与Al基体之间的界面润湿性。以上因素对CNTs在AMCs中优异性能的发挥,提供了可行性方案。相比CNTs增强AMCs,CNTs-SiC/Al不仅在较高体分(5-15vol%)纳米增强相添加量下实现致密,而且保持了良好的导热导电性能。随着CNTs-SiC含量的增加,不断提升AMCs塑形变形抗力而提高硬度;其屈服强度、抗拉强度呈现先增后减的趋势,当CNTs-SiC添加量为10vol%时,复合材料的屈服强度、抗拉强度达到最大值,分别为146MPa、209MPa,相比纯Al分别提升了80%和97%。在测试温度为100℃时,5vol%CNTs-SiC/Al、10vol%CNTs-SiC/Al和15vol%CNTs-SiC/Al的CTE相比纯Al分别降低了12.65%、13.9%和19.5%。CNTs-SiC/Al复合材料断口分析表明,CNTs-SiC/Al复合材料的断裂机制是由解理断裂与微孔连接复合作用。分布于Al基体断裂韧窝中的CNTs-SiC复合颗粒通过与Al基体之间良好的界面结合所起到的桥连作用,在AMCs受载状态下,有效的将载荷由基体传递至增强相,CNTs-SiC通过抑制Al基体的塑性变形以及消耗裂纹扩展能,而实现对Al基体的强化。