碳纳米管在金属基复合材料中的应用

由于碳纳米管具有极高的抗拉强度和弹性模量、极小的密度和良好的化学稳定性，因此非常适合作为金属基复合材料的增强相。

在金属基体材料中，微小裂纹源的存在将造成应力的集中，从而导致裂纹扩展，致使金属基体材料发生断裂。而当碳纳米管均匀地分布于金属基体材料中时，由于碳纳米管直径小，比表面积大，经表面改性处理后的碳纳米管与金属基体间润湿性也比碳纤维好，并且碳纳米管具有很好的热稳定性和耐腐蚀性，不易与金属基体反应形成脆性界面，它将与金属基体材料紧密结合而形成性能优异的碳纳米管增强金属基复合材料。外加的载荷通过强界面的结合将主要分布在碳纳米管上，因此，复合材料的弹性模量将大大提高。此外，由于碳纳米管直径为纳米级，其晶格缺陷比碳纤维小得多，且强度大大提高，所以可显著提高复合材料的强度。因此，通过与碳纳米管的复合较好地提高金属基复合材料的各项力学性能在理论上是可行的。目前已进行的研究有碳纳米管增强铝基、铜基、铁基、镁基等复合材料。复合制备工艺方法主要有搅拌铸造法、快速凝固法和粉末冶金法等^[33，34]。(www.xing528.com)

马仁志等人^[35]采用直接熔化方法合成碳纳米管增强铁基复合材料。实验中将电弧法制备的碳纳米管与工业纯铁粉进行机械混合，采用高频感应炉在1450℃熔化并保温10min，冷却到室温后制得碳纳米管增强铁基复合材料。实验结果表明，当碳纳米管加入量为8wt％时，复合材料的硬度可达65HRC，与相同工艺下制备的普通铁碳合金的硬度平均提高了5～10HRC；并且，差热分析的结果表明，碳纳米管在1400℃的高温下并没有发生相变。通过高分辨透射电镜可观察到碳纳米管弥散分布在基体材料中，能稳定存在而起强化作用。潘伟英等人^[36]采用溶液法原位制备了氧化亚铜/多壁碳纳米管（Cu₂O/MWCNTs）超细复合球。研究表明，碳纳米管能均匀镶嵌在Cu₂O球中，相比于同粒径的纯Cu₂O球，复合球的特征吸收峰发生蓝移，复合球使高氯酸铵的高温分解温度降低了11.5℃。涂江平等^[37]利用化学镀方法制备镍基纳米碳管复合镀层。结果表明，纳米碳管均匀地嵌入在镍基体中，镍基碳纳米管复合镀层具有优良的耐磨性能，且复合镀层的摩擦系数随着碳纳米管体积分数的增加而逐渐降低。王浪云等^[38]首先通过对碳纳米管表面包覆金属镍，然后采用粉末冶金方法将化学包覆镍的碳纳米管与铜粉混合制备了碳纳米管增强铜基复合材料，得到了高硬度、抗磨性能优异的复合材料。董树荣等^[39]将催化热分解法制得的碳纳米管经表面化学包覆镍处理后，与粒度约为0.07mm的铜粉进行球磨混合60min，经355MPa冷压，850℃真空烧结、轧制、真空退火制成碳纳米管增强铜基复合材料。扫描电镜下观察发现碳纳米管的分布均匀，彼此粘连较少，断口处存在碳纳米管的拔出和桥接。对试样进行磨损实验，结果表明，当碳纳米管的体积分数为12％～15％时，其润滑和抑制基体氧化的效果较好，复合材料的耐磨性能最佳。李圣海等^[40]以化学包覆镍金属的碳纳米管为增强相，通过搅拌铸造法也显著地提高了镁基复合材料的力学性能。