纳米碳管_铝基复合材料的制备及摩擦磨损性能研究ok.pdf

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1、第 2 7卷第 3期 2 0 0 7 年 5月 摩 擦 学 学 报 TRI BOLOGY Vo l 27No 3 Ma y，2 0 07 纳米碳 管 铝基 复合材料 的制备及 摩擦磨损性能研究 姜金龙，戴剑锋，袁晓明。，王海忠，魏智强，王 青(1 兰州理工大学 理学 院，甘肃 兰州7 3 0 0 5 0；。2 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料国家重点实验室，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0；3 兰州大学 材料科学系，甘肃 兰州7 3 0 0 0 0；4 中 国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑 国家重点 实验 室，甘肃 兰州 7 3 0 0 0 0)摘要：利用粉 末冶金法制备 纳米碳管 铝

2、基 复合材料，研究不 同纳米碳管含量对 复合材料 硬度 和稳态摩擦 磨损行 为的 影响，采用 扫描 电子显微镜观察复合材料的磨损表面形貌，并对 其磨损机制进行探讨 结果表明：随着纳米碳管 质量 分 数 的增加，复合材料的硬度呈 现 先增 大 而后 减小 的趋 势，含 质 量分 数 为 2 的纳 米碳 管 复合 材料 硬 度 比铝 增加 约 8 0；复合材料的摩擦系数逐渐降低，磨损率先减小而后增大；含质量分数为 1 的纳米碳管复合材料磨损机制为磨 粒磨损 和粘着磨损，而含质量分数为 2 的纳米碳管复合材料 以剥层磨损和疲劳磨损 为主 关键词：纳米碳管；金属基 复合材料；摩擦磨损性能 中图分 类号

3、：T B 3 3 1；T G 1 1 5 5；T H1 1 7 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 4-0 5 9 5(2 0 0 7)0 3-0 2 1 9-05 纳米碳管为 由单层或多层石墨片按不同方 向卷 曲成的无缝径 向纳米级管，每个 碳原子通过 s p 杂 化与周 围的 3个碳原子键合成六边形平 面；纳米碳 管的扬 氏模量高达 5 T P a，密度约 1 21 8 c m ，比强度 5 5 5 5 G P a (m g m )，约为钢的 1 0 0倍，同时 具有优 良的热稳定性，是理想的纳米增强增韧纤维 材料。J 铝基材料具有密度小、抗 氧化 和耐腐蚀、耐磨损及易加工等优点而在

4、航空、航天及汽车制造 等领域得到广泛应用 为 了满足航 空航天等领域对 材料更高 比强度、高 比模量和耐磨损的要求，将纳米 碳管用于制备铝基复合材料，并取得优异 的理化和 力学 性 能，已成 为极 具 潜 在 应 用 价 值 的复 合 材 料 丁志鹏等 9 采用 无压渗透 法制备纳 米碳 管 铝复合材料，研究发现由于纳米碳管 的自润滑和 增强作用，复合材料的摩擦 系数和磨损率 随着碳纳 米管体积分数的增大而减小 但 目前对于纳米碳管 铝复合材料的研究主要集 中于材料设计及其力学性 能方面 J，有关其 摩擦磨损性 能 的研 究较少 为 此，本文作者利用传统的粉末冶金方法 制备纳米碳 管 铝基复合

5、材料，并对其摩擦磨损行为进行研究 1 实验部分 1 1 复合材料制备 纳米碳管(C N T s)的制备采用 阳极 弧等离子体 法 ，以石 墨棒为蒸 发材料，以一定 比例 的 F e、C o 及 N i 粉作为催化剂在惰性气体气氛中制备含有体 积分数 4 0 5 0 的纳米碳管 将所制备 的纳米碳 管先用分析纯浓硝酸浸泡 4 8 h，过滤后在 HF中浸 泡 2 4 h，用蒸馏水充分过滤直至滤液的 p H值为 7，以除去混杂在纳米碳管 中的 F e、C o、N i 以及少量的 无定型碳等杂质 采用粉末冶金法制备纳米碳管 铝基复合材料 由于纳米碳管与金属粉末密度相差较大，且纳米碳 管的长径比达 1

6、0 01 0 0 0，具有很高的表面 自由能。极易发生团聚，难以在复合材料基体中均匀分散 制 备过程 中将纳米碳管超声分 散于乙醇 中，然后加入 纯度大于 9 9 0 、平均粒径为 0 0 7 m m的铝粉研磨 3 0 mi n，使铝粉与纳米碳管充分混合 将混合均匀 的 碳管和铝粉在压力 2 8 0 MP a 下压制，保压 1 5 m i n冷 压成型，在氩气保护下于4 0 0预烧 1 h，随后升温 基金项 目-t t 肃省 自然科学 基金 资助项 目(3 Z S 0 6 1 一 A 2 5 3 9)；兰州理工 大学科研发展基金资助项 目(S B 1 0 2 0 0 4 1 6)收稿 日期 _

7、 2 0 0 6-0 8-2 5；修 回 日期：2 0 0 6 1 1-2 7 联 系人姜金龙，e ma i l：j i n l o n g l u t c n 作者简 介：姜金龙，男，1 9 7 7年生，硕士，讲师，目前主要从事复合材料及环境材料方 向的研究 维普资讯 http:/ 摩擦学学报 第 2 7卷 至 6 0 0保温 2 h，随炉冷却至室温 复合材料试样 尺寸为 6 0 m m X 1 0 m m X 2 mm，含 C N T s 质量分数分 别为 0 5 、1 0 、2 0 及 3 0 在 M H-5 一 V M 型 显微硬度仪上测量复合材料试样 的显微硬度，载荷 为 1 N，保

8、持 1 5 s 用上海产 T G 3 2 8 A型分析天平(精 度 0 1 m g)根据阿基米德原理测定复合材料密度 1 2 摩擦磨损试验 采用 日本协和株式会社制造的 D F P M型动一 静 摩擦系数精密测量装置测量复合材料 的摩擦系数，偶件采用 4,3 0的 G C r l 5轴承钢球，接触形式为球一 面点接触，单 向滑动速度 1 6 c m mi n，行程 1 0 mm，摩 擦次数 4 06 0次，法向载荷为 1 0 N和 3 0 N 试验 环境为室温、大气气氛，相对湿度 R H=4 0 一 5 0 磨损试验在 D M T-0 1型多功能摩擦磨损试验机 上进行，采用销一 盘往复式运动，

9、偶件销为直径 2 mm 的 4 5 钢，硬度 4 55 0 H R C，盘试样尺寸为 6 0 mm 1 0 n l l rn 2 l n lrn，试验为面接触方式，速率 5 0 c m m i n，单向行程 3 0 m m，滑动总行程 3 0 m 通过调节加载系 统改变销对 盘试样 的法 向载荷，法 向载荷为 1 0 N 和 3 0 N 试验在室温、大气气氛及干摩擦下进行 取 3次试验结果的平均值，用单位滑动距离的磨损质量 损失作为磨损率(m g m)来评价复合材料的耐磨性，采用上海产 T G 3 2 8 A型分析天平(精度0 1 m g)测量 磨损质量损失 采用扫描电子显微镜(S E M)观

10、察复 合材料的磨损表 面形貌 2 结果与讨论 2 1 复合材料的密度和硬度 图 1 所示为复合材料的密度 随纳米碳管质量分 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 30 T l，F i g 1 Va r i a t i o n o f d e n s i t y o f c o mp o s i t e s w i t h c a r b o n n a n o t u b e 图 1 复合材料的密度随纳米碳管质量分数 变化的关系 曲线 数变化 的关系曲线 可以看出，随着纳米碳管含量增 加，复合材料的密度呈单调递减趋势 因为纳米碳管 的密度约为铝基体 的 1 2，且 随着 纳米碳管含量

11、增 加，材料的孔隙增多，所 以复合材料的密度减小 图2所示为复合材料的硬度随纳米碳管质量分 0 0 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 q Fi g 2 Va r i a t i o n o f ha r d n e s s o f c o mp o s i t e s wi t h c arb o n n a n o t u b e 图2 复合材料的硬度随纳米碳管质量分数 变化 的关 系曲线 数变化的关系曲线 可见，在纳米碳管质量分数小 于 1 0 时，复合材料的硬度随纳米碳 管含量增大呈线 性增加，当纳米碳管质量分数在 1 0 一 2 0 时，复 合材料的硬度增加趋势减小，当质

12、量分数大于 2 0 时，复合材料的硬度迅速降低，纳米碳管质量分数为 2 0 的复合材料硬度 比铝基体提高约 8 0 这是 由 于当纳米碳管含量小 于 1 0 时，可 以均匀分散在 A l 基体 中而起 到显著的增强作用；当纳米碳管含量 在 1 0 一 2 0 时，由于纳米碳管含量增大，纳米碳 管在复合材料 中团聚在 A l 的晶界处 而不能形成 良 好的界面结合，部分抵 消纳米碳管含量增加对复合 材料性能的提 高；当纳米碳 管质量分数大 于 2 0 后，由于纳米碳管团聚严重，复合材料致密度降低等 不利因素对材料性能的影响超过 了纳米碳管的增强 效果 2 2 复合材料的摩擦磨损性能 图3示 出了

13、在载荷为 1 N和 3 N的稳态磨损下，复合材料的摩擦系数随纳米碳管质量分数变化 的关 系曲线 可见，在不同载荷下复合材料的摩擦 系数随 纳米碳管含量 的增加而减小，且载荷为 1 N时 的摩 擦系数较大 根 据摩擦学理论 ，当接触表 面为塑 性接触时，摩擦 系数与载荷无关 但 由于偶件与复合 材料表 面处于弹塑性接触状态，实 际接触 面积与载 荷呈非线性关 系，使得摩擦系数 随载荷 的增加而降 低 另一方面，在高载荷下，摩擦过程 中从材料脱落 如 们 如 强 如 2 2 2 2 2 2 2 2 ，昌 叁I|g 维普资讯 http:/ 第 3期 姜金龙等：纳米碳管 铝基复合材料的制备及摩擦磨损性

14、能研究 0 0 0 5 1 0 l 5 2 0 2 5 3 0 mm，Fi g 3 Fr i c t i on c o e ffi c i e nt o f c o mp o s i t e s t h c a r b o n n a n o t u b e 图 3 复合材料的摩擦系数随纳米碳管 质量分数变化的关系曲线 或被挤 出的纳米碳管含量较 多，在材料表 面形成一 层纳米碳管薄膜，减少 了金属基体与偶件 的直接接 触几率，同时，纳米碳 管具 有 良好 的 自润 滑作用，所 以复合材料的摩擦系数随纳米碳管含量的增加和载 荷增大而降低 引 图 4示出了在载荷为 1 N和 3 N的稳态磨损下，

15、量 墨 0 0 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 30 mm，F i g 4 W e a r r a t e o f c o mpo s i t e s w i t h c a r b o n n a n o t u b e 图4 复合材料的磨损率随纳米碳管质量分数 变化的关系曲线 复合材料 的磨损率随纳米碳管质量分数变化 的关系 曲线 可以看出：当纳米碳管含量小于 1 0 时，复合 材料的磨损率随纳米碳管含量增加而减小；当纳米 碳管含量在 1 0 2 0 时，其磨损率减小趋势平 缓；当纳米碳管含量 大于 2 0 时，复合材料的磨损 率急剧增大；载荷为 3 N时，复合材料的磨损率大于 载

16、荷 为 1 N时的磨损率 这是 由于随着纳米碳管含 量增加，复合材料 的硬度逐渐增大，耐磨 性提高 另 外，磨损表面 的纳米碳管起到了润滑和抗氧化的作 用，使得复合材料的摩损率降低 但是当纳米碳管含 量大于 2 时，纳米碳管团聚在铝基体中而形成孔洞 见图5(a)，使得复合材料的致密度和硬度降低，其磨损率急剧增大 从以上纳米碳管 铝基复合材料 的密度、硬度及摩擦磨损性能 中可以得 出纳米碳管 的最佳含量为 2 左右 图5所示为复合材料在 1 N和 3 N条件下滑动 3 0 m的磨损表面形貌 S E M 照片 从图 5(b)可 以看 出，低含量纳米碳管 的复合材料的磨损表面有 明显 的犁沟和微裂纹

17、，呈现 出磨粒磨损迹象，在磨损过程 中出现多次摩擦副咬死现象 这是因为摩擦偶件 与 试样表面的微观粗糙峰形成点接触，在接触点 附近 产生塑性 变形、出现冷焊使得粘着点的强度 和接触 面增大，当粘着点强度 比偶件与基体剪切强度高 时 发生胶合，呈现粘着磨损 另外，偶件表面发现铝 的 转移，这是 由于通常在发生粘着磨损时，磨损表面材 料的转移方向是 由软材质到硬材质 从图 5(c)可 见，含 2 0 纳米碳管 的复合材料磨损表面为鳞片状 且有浅显凹坑，这属于剥层磨损和疲劳磨损特征 磨 屑呈脱落片状，为典型的剥层磨损 的磨屑形貌 根据 S u h【1 4 的理论，位错密度在亚表层最大，在切应力作 用

18、下基体发生塑性变形，位错滑移塞积于纤维与基 体界面而引起界 面开裂 裂纹 的扩展及相邻裂纹 之 间连接导致层离剥落 从图 5(c)的磨损表面未见 粘着磨损痕迹，这是 由于纳米碳管起到润滑作用 的 同时提高了铝的抗塑性流变能力 从 图 5(d)可以看 出，含 3 0 纳米碳管复合材料的磨损表面存在大量 片状磨屑和裂纹 纳米碳 管的团聚使得复合材料 致 密度降低，复合材料在纳米碳管 团聚处产生应力 开 裂、剥落，剥落 的磨屑进一步加剧复合材料 的磨损，从而使得复合材料的磨损率增大 3 结论 a 当纳米碳管质量分数较 低时，复合材料 的 硬度随着纳米碳 管含量增加而提高，当纳米碳 管质 量分数大于

19、2 0 时，复合材料硬度反而下降 b 复合材料的摩擦系数随着纳米碳管含量的 增加而降低 由于纳米碳管的自润滑性能，在载荷为 3 N时复合材料的摩擦 系数小于载荷为 1 N时的摩 擦系数 C 随着纳米碳管质量分数 的增加，复合材 料 的磨损率先减小而后增大 在纳米碳管质量分数较 低时，复合材料的磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损；含2 0 纳米碳管复合材料的磨损机制 以剥层磨损，-暑 髻8 e!l 崔 6 5 4 3 2 l O O O O O O O O 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/ 第 3期 姜金龙等：纳米碳管 铝基复合材料的制备及摩擦磨损性能研究 T r i b o l o g

20、 y。2 0 0 5，I l(6)：5 8 8-5 9 2 1 4 s d a N P T h e d e l a mi n a t i o nt h e o r y o f w e a r J We ar，1 9 7 3，2 5：I l 1 1 2 4 1 5 陈荐，沈保罗，高升 吉，等 铝基 复合 材料 的磨 面磨 屑 与磨损 机制 J 兵器材料科学与工程，1 9 9 7，2 0(3)：1 9-2 3 Ch e n J。S h e n B L，Ga o S J，e t a 1 We a r s u r f a c e，d e b ri s a n d me c h ani s m o f

21、A I ma t r i x c o mp o s i t e s J O r d n anc e M a t e ri a l S c i-e n c e and E n g i n e e ri n g。1 9 9 7。2 0(3)：1 9-2 3 Fa b r i c a t i o n a n d Tr i b o l o g i c a l Be h a v i o r o f Ca r b o n Na n o t u b e Al M a t r i x Co mp o s i t e s J I A N G J i n l o n g。，D A I J i a n-f e n

22、g。，Y U A N X i a o m i n g ，wA N G H a i z h o n g ，WE I Z h i q i a n g。，WA N G Q i n。(J S c h o o l o fSci e n c e，L a n z h o u U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0，C h i n a；2 S t a te K e y L a b o r a t o r y of G a n s u A d v a nce d r0 n r r o ll Me t a l Ma

23、t e r i a l s，Lan z h o u U niver s i t y ofT e c h nolo gy，Lan z h o u 7 3 0 0 5 0，C h i na；3 D e p a r t m e n t of Ma te r i a ls S c ie nce，Lan z h o u U n i v e r s i t y，Lan z h o u 7 3 0 0 0 0，C h i na；4 S t a t e K e y L a b o r a t o ry of S o l i d L u b r i c a t i o n，Lan z h o u I n s t

24、 i t u t e ofC h e mi c al P h y s ic s，C h i n e s e A c a d e m yofS c ie nce s，Lan z h o u 730 0 0 0，C h i na)Ab s t r a c t：Ca r b o n n a n o t u be s r e i n f o r c e d a l umi n u m ma t rix c o mp o s i t e s we r e f a b ric a t e d b y p o wd e r me t a l l u r g y me t h o d Th e i n f l

25、 u e n c e o f d i ffe r e n t c a r bo n n a n o b u b e c o n t e n t o n h ard n e s s t h e f r i c t i o n a n d we a r b e ha v i o r u n d e r s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n s o f t h e c o mp o s i t e s we r e i nv e s t i g a t e d Tl l e wo r n s u r f a c e s o f c o mp o s i t

26、e s we r e o b s e r v e d b y s c a n ni n g e l e c t r o n mi c ros c o p e，a n d wo r n me c h a n i s m o f c o mpo s i t e s wa s di s c u s s e d Th e r e s u l t s i n di c a t e d t h a t t h e Vi k e r s h ard n e s s o f c o mp o s i t e s i n c r e as e d fir s t an d t h e n d e c r e a

27、se d wi t h c a r b o n n a n o t u b e c o n t e n t i n c r e a s i n g 2 0a d d i t i o n b y mas s o f c a r b o n n an o t u b e s t o山e alu mi n u m ma t ri x o f c a u s e d i n c r e a s e s i n t h e Vi k e rs h a r d n e s s o f a b o u t 8 0 Th e f r i c t i o n c o e 伍 c i e n t o f c o

28、mpo s i t e s wa s l O W a n d de c r e a s e d wi t h i n c r e a s i n g c arb o n n a n o t u b e c o n t e n t On t h e o t h e r h an d w ear r a t e o f c o mpo s i t e s de c r e ase d first l y a n d t he n i n c r e as e d F o r c o mp o s i t e o f 1 OCNTst h e we ar me c h an i s m Was c

29、h a r a c t e riz e d a s a b r asi v e we ar a n d a d he s i v e we a r，wh i l e t h e d e l a mi n a t i o n we a r an d s u rfa c e f a t i g u e we r e t h e ma i n l v me c h a n i s m f o r c o mp o s i t e o f 2 OCNTs Ke y wo r d s：c arbo n n a n o t u be，me t al ma t rix c o mp o s i t ewe ar a n d f ric t i o n b e ha v i o r A u t h o r：J I A N G J i n l o n g，m al e，b o r n i n 1 9 7 7，L e c t u r e r，e-m a i l：j i n l o n g l u t c n 维普资讯 http:/