CC BY
7ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.763
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
АЛЮМИНИЕВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С НАНОДИСПЕРСНОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ФАЗОЙ, СФОРМИРОВАННЫЙ АККУМУЛИРОВАННОЙ ПРОКАТКОЙ*
A.Ю. ОГНЕВ, аспирант, И. С. ЛАПТЕВ, магистрант,
B.В. БАЗАРКИНА, магистрант,
И.А. БАТАЕВ, канд. техн. наук, доцент, В.А. БАТАЕВ, доктор техн. наук, профессор (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 20 июня 2011 г.
Лаптев И.С. - 630092, Новосибирск, пр.К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: ilya_laptev_nstu@mail.ru
Аккумулированная прокатка с последующим спеканием была применена для изготовления композиционного алюминиевого материала с многослойными углеродными нанотрубками в качестве упрочняющей фазы. Зафиксировано увеличение предела прочности по сравнению с чистым алюминием, обработанным по идентичной технологии. Оптимальная доля углеродных нанотрубок составляет 0,01.. .0,1 % (масс.). Наблюдается нарушение сплошности композиционного материала при добавлении 0,5 и 1 % углеродных нанотрубок.
Ключевые слова: алюминий, углеродные нанотрубки, металлический композиционный материал.
Интенсивно развивающиеся отрасли промышленности, такие как автомобиле-, авиа- и ракетостроение, нуждаются в разработке материалов с высокой удельной прочностью. В связи с этим определенные надежды связывают с углеродными нанотрубками (УНТ). Эта аллотропная модификация углерода с бездефектной структурой и размерами, лежащими в нанометровой области, обеспечивает модуль упругости на уровне 3 ТПа и предел прочности ~ 150 ГПа [1]. Такой комплекс механических свойств в совокупности с плотностью около 2 г/см3 позволяет рассматривать углеродные на-нотрубки как перспективный упрочняющий компонент в композиционных материалах с полимерной, керамической и металлической матрицей [2].
Алюминиевые сплавы представляют собой распространенный класс конструкционных материалов. Актуальной практической задачей является повышение комплекса механических свойств материалов этого типа. При выполнении работы была поставлена задача, связанная с изучением возможности повышения механических свойств алюминия углеродными нанотрубками. Одним из важнейших условий создания качественных, наполненных углеродными нанотрубками композиционных материалов является равномерное распределение упрочняющей фазы. Экс-
периментальные данные свидетельствуют о том, что предел прочности алюминиевых композиционных материалов, содержащих крупные конгломераты на-ночастиц углерода, находится на уровне чистого алюминия [3, 4]. Эффективным и относительно простым методом введения нанотрубок является механическое смешивание в шаровых планетарных мельницах [1].
Важной технологической операцией, связанной с получением изделий из порошков, является компакти-рование материала. На практике используется множество способов компактирования порошковых смесей: одноосное и изостатическое прессование, холодная и горячая экструзия, аккумулированная прокатка, искровое плазменное спекание и др. Аккумулированная прокатка обеспечивает высокие степени деформации материала с образованием прочных связей между заготовками [5]. В данной работе был использован метод аккумулированной прокатки пластин алюминия, содержащих в своем объеме многослойные углеродные нанотрубки, с последующим спеканием полученного композиционного материала в вакууме.
Целью данной работы являлось изучение структуры и механических свойств алюминиевых композиционных материалов с различным массовым содержанием УНТ (0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 0,5 и 1), а
* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 1. Схема получения алюминиевого композиционного материала с использованием аккумулированной прокатки
также сравнение полученных результатов с чистым алюминием, обработанным по идентичной технологии. На рис. 1 представлены основные этапы получения композиционного материала «алюминий - углеродные нанотрубки».
В качестве матричного материала использовали порошок технически чистого алюминия с размером частиц 90... 250 мкм, полученного методом распыления расплава (рис. 2, а). Углеродные нанотрубки были получены в Институте неорганической химии СО РАН методом химического осаждения из газовой фазы с использованием Ре-катализатора. Длина нано-трубок составляла 5.20 мкм, наружный диаметр -20.150 нм (рис. 2, б).
чем состоянии. Общая степень деформации составила 90 %. Спекание материала происходило в вакууме в течение 5 ч при температуре 550 °С. Образцы композиционного материала представляли собой пластины толщиной 1 мм. Испытание на одноосное статическое растяжение проводили на универсальной машине растяжения 1п81хоп 3369. На рис. 3 представлены результаты испытаний.
ш
а б
Рис. 2. Исходные материалы: а - порошок алюминия; б - многослойные углеродные нанотрубки
Большая поверхностная энергия нанотрубок способствует образованию их устойчивых конгломератов. Перед смешиванием с порошком алюминия нанотруб-ки в течение 15 мин подвергали ультразвуковой обработке в дистиллированной воде. Водная суспензия на-нотрубок пульверизатором наносилась на тонкий слой порошка алюминия и высушивалась при 100 °С в вакуумном сушильном шкафу. Порошки алюминия с различным содержанием нанотрубок помещали в 250 мл стакан из закаленной стали, содержащий 50 мелющих стальных шаров диаметром 10 мм (соотношение «масса порошка - масса шаров» 1:3). Смешивание проводили в течение 1 ч в планетарной шаровой мельнице Ри1уеЙ8ейе 6 при скорости 400 об/мин.
Компактирование порошковой смеси, находящейся в медных трубках диаметром 10 мм, осуществляли горячей прокаткой при 400 °С. Полученные порошковые компакты извлекали из медной оболочки. Поверхность сформированных пластин зачищали абразивным инструментом и обезжиривали. Пластины собирали в пакет из 8 штук и прокатывали в горя-
а б
Рис. 3. Предел прочности (а) и относительное удлинение (б) композиционного материала «алюминий - углеродные нанотрубки»
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что наибольшим пределом прочности обладают образцы, содержащие 0,01.0,1 % вес. нанотрубок. При введении 1 % наночастиц углерода наблюдается падение прочности композита. Введение углеродных нанотрубок существенно влияет на пластические свойства алюминия. Относительное удлинение образцов, содержащих 0,01.0,1 % вес. УНТ, на 60.70 % меньше по сравнению с чистым алюминием. Пластического удлинения образцов, содержащих 0,5 и 1 % углеродных нанотрубок, практически не происходит.
Измерение микротвердости производили по методу Виккерса. Нагрузка при индентировании составляла 0,098 Н. Экспериментально установлено, что значения микротвердости для всех образцов находятся на одном уровне и составляют ~ 450 МПа.
Металлографические исследования проводили на микроскопе АхюОЬ8егуег А1т. На снимках алюминия, подвергнутого аккумулированной прокатке, можно наблюдать слои исходных пластин (рис. 4, а). Нарушения сплошности в виде трещин, расслаивания не обнаружено.
а б
Рис. 4. Поперечное сечение образца алюминия без нанотрубок (а) и алюминия, содержащего 1 % нанотрубок по массе (б)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕ,
Образование трещин и пор (темные участки) в образце с 1 % нанотрубок по массе (рис. 4, б) обусловлено неравномерным распределением упрочняющей фазы в объеме нанокомпозита. При использовании данной технологии однородное распределение углеродных нанотрубок в количестве, превышающем 1 % вес., становится затруднительным.
Поверхности разрушения композиционных материалов исследовали на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO 50. Результаты проведенных исследований согласуются с данными прочностных испытаний. Излом алюминия имеет вязкий, чашечный характер разрушения (рис. 5, а, в). Отдельных слоев по сечению образца не выделяется. Это позволяет говорить об образовании прочных металлических связей в процессе аккумулированной прокатки и последующего спекания. В образце, содержащем 1 % углеродных нанотрубок, можно наблюдать множественные включения (рис. 5, б). Тонкий анализ отдельного включения при повышенных увеличениях свидетельствует о том, что оно представляет собой компактное скопление наночастиц (рис. 5, г).
в г
Рис. 5. Морфология поверхности разрушения чистого алюминия (а, в) и алюминия, содержащего 1 % углеродных нанотрубок (б, г)
Выводы
Метод аккумулированной прокатки приме -нен для формирования алюминиевого композиционного материала, упрочненного углеродными нанотрубками. Установлено, что содержание наночастиц углерода в количестве 0,01.0,1 % вес. обеспечивает прирост предела прочности по сравнению с чистым алюминием на 50.60 %. Методами оптической металлографии и растровой электронной микроскопии выявлено наличие конгломератов углеродных нанотрубок в образцах с содержанием наночастиц углерода 0,5 и 1 % вес. Присутствие скоплений углеродных нанотрубок является причиной существенного снижения предела прочности образцов. Дальнейшее улучшение механических характеристик композиционных материалов на основе алюминия и углеродных нано-трубок возможно при использовании иных, более эффективных методов распределения наночастиц в объеме матричного материала.
Список литературы
1. Morsi K. Effect of mechanical alloying time and carbon nanotube (CNT) content on the evolution of aluminum (Al)-CNT composite powders / K. Morsi, A. Esawi // J. Mater. Sci. - 2007. - V 42. - P. 4954-4959.
2. Sridhar I. Processing and characterization of MW-CNT reinforced aluminum matrix composites / I. Sridhar, R. Narayanan // J. Mater. Sci. - 2009. - V 44. - P. 1750-1756.
3. Combination of hot extrusion and spark plasma sintering for producing carbon nanotube reinforced aluminum matrix composites / H. Kwon M. Estili, K. Takagi, T. Miyazaki, A. Kawasaki // Carbon. - 2009. - V 47. - P. 570-577.
4. Особенности разрушения композиционного материала «алюминий-углеродные нанотрубки» / А.Ю. Огнев, И. С. Лаптев, В.В. Базаркина, А.М. Теплых // Обработка металлов. - 2010. - № 4(49). - С. 38-40.
5. Salimi S. Fabrication of an aluminum-carbon nano-tube metal matrix composite by accumulative roll-bonding / S. Salimi, H. Izadi, A.P. Gerlich // J. Mater. Sci. - 2011. -V. 46. - P. 409-415.
Aluminum composite material with nanoscale reinforce phase fabricated by accumulative roll-bonding
A.Y. Ognev, I.S. Laptev, V.V. Bazarkina, I.A. Bataev, V.A. Bataev
Aluminum matrix composites with multiwall carbon nanotubes as reinforcements were fabricated by accumulative rollbonding with following sintering. Increasing of ultimate strength in comparison with identical treated pure aluminum was determinated. Optimal carbon nanotubes content is 0,01-0,1 wt. %. Disruption of composite material solidity with 0,5 and 1 % addition of nanotubes was observed.
Key words: aluminium, carbon nanotubes, metallic composite material.
