攪拌摩擦加工法制備碳納米管增強銅基復合材料工藝探索摘 要：本文采用攪拌摩擦加工法制備了碳納米管增強銅基復合材料，研究了試驗工藝參數（攪拌頭的傾斜角度、旋轉速度和擠壓速度）對復合材料成形的影響。結果表明：在進行單一變量試驗發現，在擠壓次數為3次，傾斜角度為3，旋轉速度為750r/min，擠壓速度為30mm/min時，復合材料的成形較好，碳納米管在復合材料中較均勻地分布，復合材料中無明顯的疏松和孔洞等缺陷出現。 前言 目前，銅及銅合金已成為第二大有色金屬，是全球經濟各行業中廣泛需求的基礎材料1。銅及銅合金由于具有機械性能良好、工藝性能優良，易于、塑性加工等優點，更重要的是銅及銅合金具有優越的導電和導熱性能，因此銅及銅合金被廣泛地應用于電子、電器等工業領域。但是，銅在室溫強度、高溫性能以及磨損性能等諸多方面的不足限制了其更加廣泛的應用，雖然銅合金在力學性能上有了一定的提高，但是隨著合金化程度的提高，銅合金的導電、導熱性能有了比較明顯的降低。因此，研制和開發具有高強高導性能的銅基復合材料是近年來科研工作者研究的熱門方向。 納米相增強銅基復合材料是近年來發展起來的一種工業新型材料2，是由納米相均勻地分散在銅或銅合金基體中而形成的。由于納米分散相具有大的表面積和強的界面相互作用，納米相增強銅基復合材料表現出不同于一般顆粒或纖維增強銅基復合材料的力學、熱學、電學、磁學和光學性能, 其比強度、比模量、耐磨性、導電、導熱性能等均有大幅度的提高，是一種全新的高技術新材料，具有廣闊的商業開發和應用前景3。 目前，國內外學者主要采用原位反應合成法4、內氧化法5、大塑性變形法6、機械合金化法7和粉末冶金法8 來制備納米相增強銅基復合材料，但由于原位反應合成法制備工藝成本高, 不適于規模化生產9；內氧化工藝容易造成組織缺陷；大塑性變形工藝會使粒度分布不均勻；機械合金化工藝粒徑分布寬，易混入雜質；粉末冶金法生產工藝復雜，成本高，生產效率低, 同時復合材料界面容易受到污染，界面反應嚴重。基于這種情況，本文采用了攪拌摩擦加工法制備了碳納米管（Carbon Nano-tubes，CNTs）增強銅基復合材料，由于攪拌摩擦加工法特有的無污染、可重復性強、低能耗、可操作性強等特點，且攪拌摩擦加工具有的過程可控性能夠滿足各種加工要求的復合材料的制備，在未來的復合材料加工制備研究中將具有十分重要的地位。 2試驗材料及方法 試驗材料采用T2紫銅試板，試驗選用了兩種規格尺寸的試板，分別為150mm60mm6mm和150mm60mm 2mm。納米增強相為多壁碳納米管, 直徑為1020nm，長度為515m，純度大于98%。 試驗采用自制的攪拌摩擦加工設備，選用攪拌頭如圖1所示：攪拌針直徑為12mm，攪拌針長度為5mm，軸肩直徑為25mm，攪拌針螺紋為左旋，為提高制備復合材料過程中金屬的流動性，在攪拌針部分帶有螺紋的圓周上均布了三個半徑為R2的半圓。 試驗過程如下：用丙酮擦去試板表面污垢，對6mm厚的試板進行鉆孔填增強相碳納米管，并壓實，為了防止在制備過程中碳納米管的溢出，將已添加碳納米管的6mm厚的銅板以盲孔法向相反的方向疊加在一塊2mm厚的銅墊板上，裝夾固定在攪拌摩擦加工設備的試驗臺上進行往返擠壓制備復合材料，攪拌摩擦加工過程示意圖如圖2所示。 采用攪拌摩擦加工法制備碳納米管增強銅基復合材料的工藝參數見附表，復合后截取試樣的橫截面用不同的砂紙打磨，拋光。對拋光后的試樣采用氯化鐵的腐蝕劑進行腐蝕510s。 3 試驗結果與分析 3.1 傾斜角度對復合材料成形的影響 圖3為在旋轉速度為750r/min，擠壓速度為30mm/min，擠壓次數為3次時不同傾斜角度下復合材料的橫截面形貌圖。由圖3（a）可知在傾斜角度為1時在復合材料的中上部出現了比較明顯的隧道孔和孔洞缺陷，而且CNTs 在銅基體中分布極不均勻，出現了大面積的CNTs團聚區，復合區的寬度較小。從圖3（b）和（c）可以看出隨著傾斜角度的增加，復合材料中的隧道孔和孔洞缺陷逐漸消失，復合區的寬度也趨于增加，CNTs在銅基體中的分布趨于均勻化，并且在圖3（c）中基本上出現沒有明顯的CNTs團聚，復合區的成形也較好。由圖3（d）可知隨著傾斜角度進一步加大，雖然CNTs的分布寬度有增大的趨勢，但是復合區成形較差，復合材料開始出現疏松、孔洞等缺陷，CNTs在銅基體中的均勻性也較差，出現了明顯的CNTs團聚的傾向。 因此，可以看出在其他工藝參數不變的情況下，當傾斜角度為3時制得的復合材料最好。分析認為，由于試驗選用的攪拌頭為左螺紋，根據柯黎明等10提出的金屬塑性流動的“抽吸-擠壓”理論，在制備復合材料過程中，攪拌針周圍的塑化金屬會受到螺紋兩個力的作用，力的作用使得塑性金屬會產生兩個方向的運動：一個是螺紋與塑化金屬之間摩擦產生的摩擦力，摩擦力作用使得塑化金屬產生圓周運動；一個是攪拌頭旋轉并向前運動時產生的垂直于螺紋表面的壓力，壓力作用使得塑化金屬向下運動。在螺紋的綜合合力作用下，使攪拌頭周圍的塑化金屬呈現向下的螺旋運動，其結果使攪拌針周圍的塑化金屬向下遷移，但在復合區的底層，塑化金屬受底板的阻礙而向周邊流動；從而在復合區的上部出現瞬時的低壓區或空腔，而在復合區的下部局部區域形成較大的壓力擠壓復合區外圍的金屬，導致外圍金屬受下部金屬的高壓區和上部金屬低壓區的壓力差作用向上運動。當攪拌頭傾斜角度較小時，攪拌針的旋轉近乎在同一水平面上，螺紋與塑化金屬的摩擦力較小，主要表現為垂直于螺紋表面的壓力，因此，塑化金屬主要表現為向下運動，而塑化金屬的圓周運動較小，因此復合區的上部產生的瞬時空腔得不到沿著螺紋圓周方向塑化金屬的充分補給而容易形成隧道孔、孔洞等缺陷，復合區的寬度也會較小，而隨著傾斜角度的增加，塑化金屬的圓周運動加劇，復合區上部區域的瞬時空腔能得到充分補給，因此復合材料的成形逐漸變好，當傾斜角度為3時，復合區成形已較好，并且沒有明顯的缺陷產生，而隨著傾斜角度的繼續增加，塑化金屬的圓周運動過大，導致塑化金屬在平行于螺紋方向的運動加大，復合區的寬度也趨于增大，導致塑化金屬的擠壓作用減小，反而不利于復合區上部瞬時空腔的填充，塑化金屬的流動紊亂, 導致復合區的成形較差，開始形成疏松、孔洞等缺陷。 3.2 旋轉速度對復合材料成形的影響 圖4為在傾斜角度為3，擠壓速度為30mm/min，擠壓次數為3次時不同旋轉速度下復合材料的橫截面形貌圖。由圖4（a）可以看出在旋轉速度為600 r/min時，CNTs在銅基體中的分布均勻性較差，出現了明顯的CNTs的團聚現象，CNTs在復合區的右端分布較多，而且復合區的面積較小。從圖4（b）（d）可以看出隨著旋轉速度的增加, CNTs在銅基體中的分布均勻性顯著提高，在旋轉速度為950r/min和1180r/min 時，CNTs在銅基體中的均勻性較好，CNTs的團聚現象得到了明顯改善，但復合區局部開始出現疏松、孔洞等缺陷。而在旋轉速度為750 r/min時，復合區CNTs在銅基體中的均勻性相比旋轉速度為600r/min時有了很大的提高，復合區也沒有明顯的疏松和孔洞等缺陷產生，因此，可以看出在其他參數不變的情況下，當旋轉速度為750r/min時制得的復合材料最好。 分析認為，當其他工藝參數不變的情況下，隨著攪拌頭旋轉速度由600 r/min提高到1180r/min，一方面在攪拌摩擦加工過程中攪拌頭單位時間里與銅基體的接觸增加，復合區塑化金屬與攪拌頭摩擦產熱增多，加速了CNTs 在銅基體的流動性，CNTs在銅基體的流動越充分，因此CNTs在銅基體中能較均勻地分散開來；另一方面隨著攪拌頭旋轉速度的增大，產生塑化金屬流動的驅動力變大，使得CNTs在銅基體中的流動性提高，CNTs在銅基體的分散均勻性顯著提高。因此，隨著攪拌頭旋轉速度的提高，CNTs在銅基體的分布趨于更均勻化。然而對于制備復合材料來說，并不是攪拌頭的旋轉速度越高越好，如果旋轉速度過高，攪拌針后方由于塑性金屬的離心運動所產生的空腔就會越大，這樣便會由于塑化金屬的無法及時填充而產生疏松和孔洞等缺陷。 3.3 擠壓速度對復合材料成形的影響 圖5為在傾斜角度為3，旋轉速度為750r/min，擠壓次數為3次時不同擠壓速度下復合材料的橫截面形貌圖。圖5（a）中雖然復合材料的復合區面積較大，但復合區的上部分成形較差, CNTs在復合區的軸肩影響區的分布明顯較少，CNTs在復合區的分布均勻性也較差，隨著擠壓速度的增加，在擠壓速度為30mm/m時如圖5（b）所示, 復合材料的成形較好，沒有出現明顯的CNTs團聚現象，CNTs在銅基體中的均勻性也較好，而隨著擠壓速度的繼續增加，在擠壓速度為37.5mm/min和47.5mm/min時，開始出現比較明顯的CNTs在銅基體的團聚現象，CNTs在銅基體中的均勻性逐漸下降，而且復合區中已經出現了明顯的疏松和孔洞等缺陷。 分析認為，在其他工藝參數不變的情況下，擠壓速度較小時，單位時間內單位體積的銅基體與攪拌頭的接觸增加，致使復合區的產熱增多，塑性金屬的流動性較好，在攪拌針后方由于塑性金屬的離心運動所產生的空腔能夠得到塑化金屬充分的填充，因此，擠壓速度較小時，幾乎沒有疏松和孔洞缺陷的產生，但是當擠壓速度過低時，攪拌頭軸肩與銅基體的摩擦產熱要明顯高于攪拌針與銅基體的摩擦產熱，使得復合區上下部分產生了至上而下的熱量紊流，熱量的紊流使得CNTs更多地被分布于復合區的中下方，在軸肩影響區分布較小，因此，在擠壓速度為23.5mm/min時復合材料的成形較差，CNTs的分布均勻性也較差，在擠壓速度為30mm/min時制備的復合材料為最好。隨著擠壓速度的提高，單位時間內單位體積的銅基體與攪拌頭的接觸減小，復合區由于產熱不足導致塑性金屬的流動變差，CNTs 在銅基體中得不到充分的分散，因此復合區中CNTs在銅基體中的均勻性逐漸變差，而且擠壓速度過快使得攪拌針后方由于塑性金屬的離心運動所產生的空腔得不到充分的填充，而容易產生疏松、孔洞等缺陷。 4 結束語 在攪拌摩擦加工法制備碳納米管增強銅基復合材料中，制備過程中所采用的工藝參數（攪拌頭的傾斜角度、旋轉速度和擠壓速度）對復合材料的成形以及CNTs在復合材料中分散均勻性有較大的影響，在進行單一變量試驗結果表明，在擠壓次數為3次，傾斜角度為3，旋轉速度為750r/min，擠壓速度為30mm/min時，制得復合材料的成形較好，CNTs在復合材料中較均勻地分布，復合材料中無明顯的疏松和孔洞等缺陷出現。 致謝：本論文獲得了國家自然科學基金（50674056）項目、南昌航空大學科研基金（EC200701022）項目的資助。 參考文獻 1 中國材料工程大典編委會.中國材料工程大典J. 化學工業出版社.2006. 2 張召,李宗全. 納米復合材料力學性能的研究J. 材料科學與工程,2001, 19(4):122126. 3 王淼. 納米材料應用技術的新進展J. 材料科學與工程, 2000, (6):103105. 4 Motta M S, Jena P K, Brocchi E A. 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