CNTs/AZ91复合材料高温性能的研究

2015-04-16潘强

建材与装饰 2015年20期

关键词：镁合金碳纳米管晶界

潘强

（江西工程学院江西新余　338000）

CNTs/AZ91复合材料高温性能的研究

潘强

（江西工程学院江西新余338000）

在氩气保护下，采用搅拌铸造法制备了化学包覆镍碳纳米管（Ni-CCNTs）/AZ91复合材料。研究结果表明：Ni-CCNTs/AZ91复合材料具有良好的高温力学性能。

AZ91镁合金；碳纳米管；复合材料

镁合金具有低密度、高比强度和高比刚度等优异的力学性能，但是当服役温度超过120℃后，其强度和抗蠕变性能都大幅度下降。AZ91作为镁合金中应用最广的一个牌号，服役温度通常也只能在120℃以下。

1　实验

1.1实验材料

基体材料选用AZ91，化学成分实验自行配置AZ91合金，原材料质量分数）分别是：Mg为99.6%、Al为99.99%、Zn为99.96%、Mn为96.7%，其中Mn熔制成Al-10%Mn中间合金。增强材料选用储法制备的多壁碳纳米管（MWCNTs），由南昌大学提供，实验用碳纳米管经过纯化和锌化化学包覆Ni两道工艺处理，不难发现相互缠结的碳纳米管表面包覆着一层毛茸茸状的物质，实为包覆着的金属镍层。同时也进行了能谱分析分析，得到结果如下：碳元素-99.55wt%、镍元素-0.45wt%，镍元素所占比重不大，说明碳纳米管表面很好的包覆着镍镀层。

1.2复合材料制备工艺和设备

采用液态金属搅拌铸造法制备碳纳米管/AZ91镁合金复合材料，制备工艺如下：首先将配制的AZ91镁合金放入炉中熔化，并加入0.5～1.5%的RJ-2熔剂起覆盖保护作用。炉料全部熔清后加进0.5～0.8%的六氯乙烷对镁合金熔体进行处理，温度为740～750℃，然后把温度降低到720～740℃，静置5～8min后开始添加碳纳米管。添加碳纳米管温度为600～610℃，同时向炉中熔体液面通入氩气。搅拌时间为10min；试样浇铸采用真空吸铸，吸铸温度为605～610℃。把铸态样品加工成标准拉伸试样，

2　结果与讨论

2.1 CNTs/AZ91复合材料高温力学性能分析

化学包覆镍碳纳米管加入量对复合材料高温性能的影响所示：复合材料抗拉强度第一个小峰值出现在碳纳米管加入量为0.5%时，达到111.92MPa，比200℃时基体抗拉强度提高了14.08%；加入量超过0.5%，抗拉强度下降；当加入量超过1.0%，抗拉强度又迅速增大，并在加入量为1.2%时出现最大值，为121.11MPa，比基体提高了约23.44%；碳纳米管加入量超过1.2%，抗拉强度又急剧下降，并在加入量为1.5%时，抗拉强度降为101.83MPa，略高于基体值。

特别是经过化学化学包覆镍处理后的碳纳米管由于改善了与基体的润湿和结合状况，使其增强效果更佳。因此，在高温变形条件下复合在基体中的碳纳米管能较好的发挥载荷转移能力和阻碍晶界滑移的作用，从而使CNTs/AZ91复合材料的高温抗拉强度得到较大的提高。

2.2高温拉伸后CNTS/AZ91复合材料显微组织分析

经酒精-5%硝酸溶液腐蚀后的AZ91合金和AZ91-1.2%化学包覆镍CNTs复合材料在200℃高温拉伸后的金相组织。在金相组织中，晶界处主要以二次β-Mg17Al12相为主，且只能观察到少量β-Mg17Al12离异共晶体成碎片状分布于晶界处，可以看出晶粒尺寸明显小于图的晶粒。室温条件下，AZ91合金中主要的强化相是晶界上的金属间化合物Mg17Al12，该相的熔点较低，仅为462℃，且热稳定性差，当温度超过120～130℃时，即开始软化并变得粗大，不能起到钉扎晶界和抑制高温晶界转动的作用，导致合金的高温强度变低。

由此可知，在高温下碳纳米管作为增强相的加入能大大提高复合材料的抗拉强度。

2.3 CNTs/ZM5复合材料高温拉伸断口形貌分析

可看出许多较为明显的圆形韧窝和山脉状撕裂棱。由此可知，在200℃高温拉伸条件下，复合材料的断裂形式主要由韧窝和撕裂棱组成。虽然镁合金属于脆性材料，但是在高温条件下CNTs/AZ91复合材料的断裂特征更趋向于韧性断裂。