PDF《累积叠轧法制备镁碳多层复合材料》

accumulative roll- bonding;

carbon nanotubes;

multilayer material

1 前言镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,具有高 的比刚度和比强度、理想的机加工和回收循环性能及良 好的电磁屏蔽等特点,目前在航天航空、汽车和电子产 品中广泛应用 [1 -

2 ] .纳米级多层材料具有优异的机械性 能,比如很高的弹性模量及高的屈服强度 [3 -

5 ] .这些纳 米级多层材料一般以多层的形式通过磁控溅射、喷射沉 积、电镀等结晶成长技术制备 [6 -

8 ] .但是,结晶成长技 中国材料进展 第34 卷 术很难制取大量的纳米级多层材料,材料的机械性能的 测定也很困难.近年来,累积叠轧工艺 ( Accumulative Roll- Bonding,ARB) 已被用于制备各种类型的金属基复 合材料 [8 -

12 ] ,ARB 有助于增强剂的分散和塑性流动,从 而形成颗粒增强复合材料 [9 ] ,也可用于使不同材料之间 互相扩散接合,从而形成金属多层复合材料 [10 ] ,因此累 积叠轧工艺被认为是大塑性变形技术中唯一有希望工业 化生产大块金属多层复合板材的方法. 与一般的增强材料相比,碳纳米管( CNTS) 拥有更小 的密度、更大的长径比、更高的强度、韧度和弹性模量, 而且其高温稳定性好,不易与金属基体反应形成脆性界 面,因此理论上碳纳米管是改善材料力学性能最理想的 增强材料 [13 -

15 ] .由于碳纳米管不易与镁合金板材结合, 本文将碳纳米管和镁粉球磨混合粉夹在两块镁板之间, 然后通过累积叠轧的方法,尝试制备出一种镁碳纳米多 层复合材料.

2 实验材料和方法 实验选用 AZ31 变形镁合金板材作为原始轧制材料, 轧制试样的包覆材料选用厚度为 0.

5 mm 的商业纯铝薄片, 选用的碳纳米管为多壁碳纳米管( MWCNTS) ,外径为

20 ~

30 nm,长度为

10 ~

20 μm,纯度 98% ,比表面积 >

110 m2 .所用 Mg 粉为纯度大于 99% 的商业 Mg 粉.为使 CNTS 和Mg 粉混合均匀,将10%( 体积分数) 的CNTS 与Mg 粉混合,在氩气保护下置于行星式球磨机中进行高能球磨, 球磨时间为

2 h,球料比为 25∶ 1,转速

300 r/min.试验用的 AZ31 板规格为

70 mm *70 mm *1.

5 mm.将两块 AZ31 板进 行打磨及除油脂等表面处理之后,在其中一块板上平铺一 层Mg/CNTS 球磨复合粉体,然后用另一块 AZ31 板叠起来, 为使板材、包覆铝片、粉层之间结合地更好,防止轧制过 程中板材之间出现错动,采用 5% NaOH 溶液清洗过的商业 纯铝薄片将其包裹,然后将试样在

100 t 液压机上进行

2 h 的室温预压制,压制压力为

50 t. 将制好的试样放入箱式热处理炉,加热至

400 ℃ 并 保温

15 min 后进行轧制.轧辊转速为

10 r/min,每周期 的轧制道次压下量为 10% ,总变形量为 67% ,每道次轧 制之后将试样重新放入箱式热处理炉保温

10 min 后进行 下一道次的轧制.将轧制完的试样的包覆材料从基体材 料上剥离下来,剪去边裂严重的部分,然后将试样均匀 三等分,再次将三块板叠在一起,同样用商业纯铝片将 其包裹,然后按照之前的制样方法制样、轧制,重复

7 个周期. 采用 JSM- 6700F 型场发射扫描电镜和日本基恩士公 司设计的 VHX-

1000 超景深光学显微镜观察各周期轧制 板材的微观组织形貌.

3 实验结果和分析 3.

1 微观组织 图1所示是

400 ℃累积叠轧

7 个周期过程中 AZ31 变 形镁合金板的横断面的金相照片. 经过第