CC BY
0
МАШИНОСТРОЕНИЕ
Научная статья УДК 621.763
doi: 10.61527/1684-7016-2023-4-33-36
Влияние поверхностно-активных реагентов на процесс механического легирования алюминия углеродными нанотрубками
Валерий Викторович Сапунов
Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия sapunov_vv@mail.ru
Аннотация. Исследован процесс механического легирования алюминия углеродными нанотрубками как с применением поверхностно-активных реагентов, таких как стеариновая кислота и этанол, так и без них. Отмечена более высокая эффективность и технологичность применения в качестве поверхностно-активного реагента этанола, обеспечивающего меньший размер композиционных гранул в обрабатываемой шихте.
Ключевые слова: алюминий, углеродные нанотрубки, механическое легирование, поверхностно-активные реагенты, стеариновая кислота, этанол.
MACHINE-BUILDING
Scientific article
The influence of surface-active reagents on the process of mechanical alloying of aluminum with carbon nanotubes
Valery V. Sapunov
Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia. sapunov_vv@mail.ru
Abstract. The process of mechanical alloying of aluminum with carbon nanotubes was studied, both with and without the use of surface-active reagents such as stearic acid and ethanol. A higher efficiency and manufactur-ability of the use of ethanol as a surface-active reagent, which ensures a smaller size of composite granules in the processed charge, was noted.
Keywords: aluminum, carbon nanotubes, mechanical alloying, surface-active reagents, stearic acid, ethanol.
Алюминий отличается небольшой плотностью, что делает его подходящим материалом для аэрокосмической и автомобилестроительной отраслей, но его применение сильно ограничено из-за недостаточной прочности. Одним из методов существенного повышения прочности алюминия при сохранении низкой плотности является его легирование углеродными нанотрубками. Рядом исследователей [1-3] показано, что проблема гомогенной дисперсии углеродных нанотрубок (УНТ)
© Сапунов В.В., 2023
в высокой концентрации в металлической среде заключается в том, что силы Ван-дер-Ваальса действуют между длинными трубками, делая их уязвимыми к агломерации. Кластеры или скопления УНТ в матрице снижают общие характеристики композитного материала [4, 5]. По мнению исследователей [6-8], эффективная дисперсия УНТ в алюминиевой матрице является основой достижения высоких физико-механических свойств композитов. Ещё одна проблема - недостаточно прочная связь между углеродными нанотрубками и металлической матрицей, что крайне важно для равномерного распределения нагрузки в материале.
Слабая связь может привести к отделению нано-трубок от алюминиевой основы или к их разрушению на стыке слоев А1 и УНТ. Для получения композитных материалов, усиленных углеродными нанотрубками, можно использовать такие методы обработки, как механическое легирование, горячая экструзия, горячее прессование, искровое плазменное спекание и др. В данной работе рассматривается процесс механического легирования, имеющий ряд преимуществ. При механическом легировании увеличить равномерность распределения УНТ в алюминиевой матрице можно за счёт повышения длительности процесса, оптимизации режимов и конструкции механического реактора.
Для получения исходной шихты использовали следующие соотношения компонентов:
- одностенные углеродные нанотрубки ТиВАЬЬ (ОУНТ) (ТУ 2166-001-91735575-2014) -0,5...2 % масс.;
- стеариновая кислота (ТОСТ 6484-96) - 0,5.. .1 % масс.;
- этанол (ТОСТ 17299-78) - 0,5.. .1 % масс.;
- матричный порошок ПАД-1 (СТ022436138-006-2006) - остальное.
Механическое легирование алюминия выполняли в двухвибраторном механическом реакторе (аттриторе) авторской конструкции. Число оборотов ротора составляло 450 об/мин. В качестве мелющих тел использовались шары из стали ШХ15 диаметром 10 мм. Процесс производился в среде аргона.
На первом этапе проводили процесс механического легирования без использования поверхностно-активных реагентов, при этом длительность процесса составляла не более 45 минут. Наблюдалось критическое налипание алюминия на стенки аттритора и мелющие тела, размер гранул достигал нескольких миллиметров. Причиной роста размера частиц является чрезмерная холодная сварка пластичного порошка А1 в процессе ме-ханосплавления. Помольные тела не только деформируют мягкие частицы алюминия, но и сваривают их вместе при соприкосновении чистых и плоских поверхностей, что приводит к увеличению размера частиц после измельчения. Напротив, добавленные в состав шихты поверхностно-активные реагенты (этанол или стеариновая кислота) равномерно диспергировались в металлической матрице и постепенно покрывали поверхности частиц алюминия в процессе механического
легирования, что создавало барьер для холодной сварки, предотвращая контакт свежих поверхностей алюминиевых частиц. Кроме того, поверхностно-активные реагенты уменьшил склонность к сварке между пластичным порошком алюминия и помольными телами, а также стенками аттритора. Так, добавление 1 мае. % стеариновой кислоты снижало размер гранул обрабатываемых порошков до 40...200 мкм. Добавление 1 вес. % этанола в качестве поверхностно-активного реагента позволило достичь ещё большего эффекта - размеры гранул обрабатываемых порошков варьировались в диапазоне 20...70 мкм. Кроме этого, использование поверхностно-активных реагентов обеспечило возможность увеличить длительность процесса механического легирования до210 минут.
Поверхностно-активные реагенты наиболее эффективны на ранней стадии процесса механического легирования, при этом реагенты в жидком состоянии могут равномерно распределяться в обрабатываемой шихте быстрее по сравнению с твёрдофазными. Этанол имеет температуру плавления 159 К и вводится в обрабатываемую смесь в жидком виде, тогда как температура плавления стеариновой кислоты составляет 340-342 К и соответственно она используется в твёрдом состоянии. Жидкий этанол смачивает поверхности гранул смесей УНТ-А1 и даже попадает в трещины на частицах в процессе механического легирования. Напротив, стеариновую кислоту необходимо сначала раздробить и постепенно вводить в смесь. Ещё одним объяснением различного эффекта от использования в качестве поверхностно-активных реагентов стеариновой кислоты и этанола является разный размер молекул, который влияет на их поглощение на поверхности гранул. Молекула этанола (С2Н5ОН) имеет 5 связей СН, тогда как молекула стеариновой кислоты
(СНз(СНг)1бСООН) имеет 35 связей СН. Исходя из длины и угла связи СН, ясно, что молекула стеариновой кислоты намного больше молекулы этанола. Следовательно, отдельная молекула этанола более свободно перемещается в металлической матрице, чем стеариновая кислота. Кроме того, в одной и той же массе содержится большее количество молекул этанола, чем молекул стеариновой кислоты, что делает этанол более эффективным инструментом в предотвращении чрезмерной холодной сварки частиц пластичного алюминия.
В механическом легировании существуют два конкурирующих процесса: разрушение и холодная сварка. Разрушение уменьшает пластичность и, в конечном итоге, приводит к уменьшению размера частиц, тогда как холодная сварка способствует образованию частиц большого размера. Обычно при механическом легировании преобладает процесс холодной сварки, приводящий к агломерации частиц, при этом поверхностно-активные реагенты используются для баланса холодной сварки и разрушения, а также для повышения эффективности процесса.
СПИСОК источников
1. Yang С., Zong Y., Zheng Z. Shan D. Experimental and theoretical investigation on the compressive behavior of aluminum borate whisker reinforced 2024A1 composites. Materials Characterization, 2014, vol. 96, pp. 84-92.
2. Hassan M. T. Z., Esawi A. M. K., Metwalli S. Effect of carbon nanotube damage on the mechanical properties of aluminum-carbon nanotube composites. Journal of Alloys and Compounds, 2014, vol. 607, pp.215-222.
3. Веткасов H. И., Капустин А. И., Сапунов В. В. Разработка и применение процесса предварительного формирования высокооднородной сухой смеси «алюминиевый порошок - одностен-ные УНТ» в технологии получения алюмомат-ричных композитов // Вектор науки Тольяттин-ского государственного университета. 2018. №3 (45). С. 14-21.
4. Веткасов Н. И., Капустин А. И., Сапунов
B. В. Получение, микроструктура и микротвёрдость легированных углеродом алюмоматричных композитов // Вестник Брянского государственного технического университета. 2018. №6 (67).
C. 23-31.
5. Vetkasov N., Kapustin A., Sapunov V. Study of the process of mechanical doping of aluminum with nanoscale allotropic carbon modifications // Materials Today: Proceedings. International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2019. 2019. pp. 2299-2303.
6. Веткасов H. И., Капустин А. И., Сапунов В. В. Разработка и исследование процесса получения алюмоматричной композиции, механически легированной техническим углеродом, и композиционного материала из неё // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. №3. С. 435-441.
7. Anantha Prasad М. G., Bandekar N. Study of Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum/Garnet/Carbon Hybrid Metal Matrix Composites (HMMCs) Fabricated by Chill Casting Method // Journal of Materials Science and Chemical Engineer-ing.2015.Vol.3.No.3.pp. 1-8.
8. Zhu X., Zhao Y.G., Wu M., Wang H.Y., Jiang Q.C. Effect of Initial Aluminum Alloy Particle Size on the Damage of Carbon Nanotubes during Ball Milling // Materials. 2016. Vol. 9. No. 3. pp. 3-18.
Информация об авторе
В. В. Сапунов - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ.
REFERENCES
1. Yang C., Zong Y., Zheng Z. ShanD. Experimental and theoretical investigation on the compressive behavior of aluminum borate whisker reinforced 2024A1 composites. Materials Characterization, 2014, vol. 96, pp. 84-92.
2. Hassan M.T.Z., Esawi A.M.K., Metwalli S. Effect of carbon nanotube damage on the mechanical properties of aluminum-carbon nanotube composites. Journal of Alloys and Compounds, 2014, vol. 607, pp. 215-222.
3. Vetkasov N.I., Kapustin A.I., Sapunov V.V. Razrabotka i primeneniye protsessa predvaritel'nogo formirovaniya vysokoodnorodnoy sukhoy smesi «al-yuminiyevyy poroshok - odnostennyye UNT» v tekhnologii polucheniya alyumomatrichnykh kompozitov [Development and application of the process of preliminary formation of a highly homogeneous dry mixture «aluminum powder - single-walled CNTs» in the technology of producing aluminum matrix composites]. Vektor nauki Tol'yattinskogo gosu-darstvennogo universiteta [Vector of Science of Tolyatti State University], 2018. No. 3 (45). pp. 14-21.
4. Vetkasov N. I., Kapustin A. I., Sapunov V. V. Polucheniye, mikrostruktura i mikrotverdost' legiro-vannykh uglerodom alyumomatrichnykh kompozitov [Preparation, microstructure and microhardness of carbon-alloyed aluminum matrix composites]. Vest-nik Bryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Bryansk State Technical University], 2018.No. 6 (67). pp. 23-31.
5. Vetkasov N., Kapustin A., Sapunov V. Study of the process of mechanical doping of aluminum with nanoscale allotropic carbon modifications // Materials Today: Proceedings. International Conference on
Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2019. 2019. pp. 2299-2303.
6. Vetkasov N. I., Kapustin A. I., Sapunov V.V. Razrabotka i issledovaniye protsessa polucheniya al-yumomatrichnoy kompozitsii, mekhanicheski legiro-vannoy tekhnicheskim uglerodom, i kompozitsion-nogo materiala iz neyo [Development and research of the process of obtaining an aluminum matrix composition, mechanically alloyed with carbon black, and a composite material from it]. Izvestiya Tul'skogo gosu-darstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki [News of Tula State University. Technical science]. 2019. No. 3. pp. 435-441.
7. Anantha Prasad M. G., Bandekar N. Study of Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum/Garnet/Carbon Hybrid Metal Matrix Composites (HMMCs) Fabricated by Chill Casting Method. Journal of Materials Science and Chemical Engineering. 2015.Vol. 3.No. 3. pp. 1-8.
8. Zhu X., Zhao Y. G., Wu M., Wang H. Y., Jiang Q.C. Effect of Initial Aluminum Alloy Particle Size on the Damage of Carbon Nanotubes during Ball Milling. Materials. 2016. Vol. 9. No. 3. pp. 3-18.
Information about the author
V. V. Sapunov - candidate of technical sciences, assistant professor, assistant professor of the Department «Innovative technologies in mechanical engineering», UlSTU.
Статья поступила в редакцию 07.12.2023; одобрена после рецензирования 14.12.2023; принята к публикации 18.12.2023.
The article was submitted 07.12.2023; approved after reviewing 14.12.2023; accepted for publication 18.12.2023.
