CC BY
8ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.763
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА «АЛЮМИНИЙ - УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ»
A.Ю. ОГНЕВ, аспирант, И.С. ЛАПТЕВ, магистрант,
B.В. БАЗАРКИНА, магистрант, А.М. ТЕПЛЫХ, аспирант (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 25 октября 2010 г.
Лаптев И.С. - 630092, Новосибирск, пр.К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: [email protected]
Работа посвящена исследованию структуры и свойств композиционного материала на основе алюминия, армированного малыми добавками многослойных углеродных нанотрубок. В качестве технологии компактирования использована горячая прокатка с последующим двухступенчатым спеканием. Изучены особенности разрушения скомпактированных материалов. Определены показатели предела прочности при статическом растяжении образцов с различным содержанием наночастиц. Результаты электронно-микроскопических исследований поверхностей разрушения композита свидетельствуют о неравномерном распределении упрочняющей фазы в объеме композиционного материала.
Ключевые слова: алюминий, углеродные нанотрубки, металлический композиционный материал.
The paper is devoted to investigation of the structure and properties of aluminium composite material, reinforced small weight percents of multiwall carbon nanotubes. Hot rolling with following two-stage sintering was used as the compaction technology. The destruction character of compacted materials has been studied. The tensile strength of test samples with different nanoparticle contents has been defined. The results of electron microscopy of the fracture surfaces composites indicate irregular distribution of hardening phase at composite volume.
Key words: aluminium, carbon nanotubes, metallic composite material.
Особенности эксплуатации многих проектируемых конструкций требуют применения материалов с особыми механическими свойствами. Часто конструкторы ориентируются на использование высокопрочных материалов, обладающих малой плотностью. В настоящее время в промышленном производстве широко применяются конструкционные материалы на основе алюминия. В последние годы активно проводятся исследования по созданию композиционных материалов, армированных углеродными нанотруб-ками. Использование в качестве упрочняющей фазы высокомодульных наноуглеродных волокон лежит в основе разработки технологических процессов формирования композиционных материалов с высоким уровнем физико-механических свойств [1, 2]. Результаты работы [1] свидетельствуют о возможности повышения прочностных характеристик алюминия за счет введения в него углеродных нанотрубок и ком-пактирования по технологии многократной прокатки и последующего спекания. Цель работы заключалась в применении данной технологии для формирования композита на основе порошкового алюминия и многослойных углеродных нанотрубок.
В исходном состоянии размер частиц алюминия составлял -100...200 мкм. В качестве армирующего элемента использовали многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), полученные методом осаждения из газовой фазы на Ре-катализатор. Содержание углеродных нанотрубок в композитах было равным 0,1; 0,5; 1 и 2 % (вес.). Длина нанотрубок составляла 5.20 мкм, наружный диаметр - 20.150 нм (рис. 1). С целью повышения степени взаимодействия между нанонаполнителем и алюминиевой матрицей поверхность нанотрубок подвергали химической активации смесью азотной и серной кислот.
Порошковую смесь перемешивали лопастным смесителем с частотой вращения 3000 об/мин в присутствии этилового спирта. Компактирование материала, предварительно помещенного в медную оболочку, осуществлялось методом четырехкратной прокатки со степенями деформации 50, 30, 20 и 25 %. Температура прокатки составляла 300 °С. Предварительное спекание композиционного материала в медной оболочке проводили при температуре 300 °С с выдержкой 3 ч в вакууме. Окончательное спекание заготовок без оболочки производилось в течение 5 ч в вакууме
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Чм
^--'У'Л" . ... /•
тш
ШМш
К Ш^шЬ.4
- Ж !: / •• .
N V. Snjf \ > SNL \ ж!
\ 1 / я х V^im{ t
, ^ "Shi V » ' \ 1 V -4 V/ TF'xJ
J—» a ii Ш V V У \кжЩ 1 "V ж
"iL Aul
Vti^ v Vi V- \ ulL. V ^ Jj' Ж TV 's i^ v 34№> Ч ^^ л W
ЕНТ = 20.00 «V
Signal А Mag - '
D?(e:5 May 2010 Photo No = 7999
Рис. 1. Углеродные нанотрубки, полученные методом химического осаждения из газовой фазы
при температуре 550 °С. В процессе компактирования по описанным режимам формировались пластины из композиционного материала толщиной 1,1.. .1,2 мм.
Структурные исследования выполняли с применением металлографического микроскопа AxioOb-server. Alm и рентгеновского дифрактометра ARL XTRA. Для проведения прочностных испытаний использовали установку Instron модели 3369. Габариты образцов составляли 60 x 15 x 1 мм. Характер разрушения исследовали на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss 1540 CrossBeam.
Структура спеченного алюминия, содержащего
Рис. 3. Рентгенограмма, соответствующая композиту углеродные наночастицы, после химического травле- «Ai ' МУНТ»
ния представлена на рис. 2. Отчетливо наблюдаются
микрообъемы алюминия, вытянутые в направлении Результаты механических испытаний представ-
прокатки. Анализ результатов рентгеноструктурных лены на рис. 4. Анализ экспериментальных данных,
полученных по порошковой технологии материалов, свидетельствует о том, что увеличение содержания наночастиц углерода приводит к снижению предела прочности.
Рис. 2. Металлографическое изображение поперечного шлифа алюминиевого композиционного материала, содержащего 0,5 % (вес.) углеродных нанотрубок
исследований свидетельствует о том, что после спекания в медной оболочке на поверхности скомпакти-рованных посредством прокатки заготовок образуются оксиды типа Си20 (рис. 3). Эта фаза наблюдается в поверхностных слоях глубиной до 150 мкм. Появление новой структуры в алюминии вызвано диффузией меди из оболочки при спекании. После спекания отмеченный слой механически удалялся.
! содержание нанотрубок, Рис. 4. Зависимость предела прочности композиционного материала на основе алюминия от весового содержания многослойных углеродных нанотрубок
Падение прочности, происходящее уже при концентрации нанотрубок 0,5 %, можно объяснить наличием дефектов, связанных с расслоением композиционного материала. Анализ поверхности излома свидетельствует о разрушении композиционного материала по межфазным границам. Расслоение на-
обработка металлов
материаловедение
б
а
Рис. 5. Морфология поверхности разрушения образцов алюминия, содержащих: 0 % вес. МУНТ (а); 0,1 % вес. МУНТ (б); 0,5 % вес. МУНТ (в); 1 %вес. МУНТ (г)
блюдается даже при малых содержаниях нанотрубок (рис. 5, б). Присутствие углеродных нанотрубок, располагающихся по границам частиц алюминия, приводит к снижению адгезионной прочности. Увеличение содержания углеродных наночастиц инициирует процесс расслоения композиционных материалов (рис. 5 в, г). На поверхностях разрушения наблюдаются конгломераты нанотрубок, выступающие в роли дефектов в композиционном материале.
В ходе данной работы был успешно применен технологический процесс получения композиционных материалов на основе алюминия с добавками углеродных нанотрубок, включающий четырехкратное обжатие со степенями деформации 50, 30, 20 и 25 % при 300 °С. При дальнейших исследованиях с целью формирования более плотной структуры необходимо повысить степень обжатия заготовок и температуру их прокатки. Эффективным способом получения высокоплотных заготовок может быть также применение технологии горячей экструзии гетерофазного материала.
Выводы
С целью формирования эффективной структуры порошковых компактов целесообразен поиск оптимальных соотношений между размерами частиц
матричного материала и содержанием углеродных наночастиц. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что для исследуемого материала, основанного на применении порошка алюминия с размером частиц 100.. .200 мкм, содержание углеродных нанотрубок не должно превышать 0,1 % (вес.).
Установлено, что наиболее слабым местом в исследуемых композициях являются границы раздела между частицами алюминия. Углеродные нанотруб-ки, располагаясь на поверхности частиц, затрудняют процесс их спекания. В результате не устанавливается прочная связь между отдельными элементами матричного материала. На поверхностях изломов наблюдаются отдельные нанотрубки, не связанные с алюминиевой матрицей. Очевидно, что повышение комплекса механических свойств проектируемого композита может быть достигнуто только в том случае, если будет обеспечена прочная связь между матричным материалом и вводимыми в него наночастицами.
Список литературы
EsawiA., BoradyM. Carbon nanotube-reinforced aluminium strips // Composites, science and technology. - 2007. -№ 68. - С. 486 - 492.
Tjong S.C. Carbon nanotube reinforced composites. -Wiley-VCH, 2009. - 228 c.
в
г
