铝基碳纳米管增强复合材料的动态力学行为及应变率效应

时间：2024-09-03

王敏洁，沈将华†，陈彪，近藤勝義，李玉龙

(1.西北工业大学航空学院，西安710072；2.陕西省冲击动力学及工程应用重点实验室，西安710072； 3.西北工业大学材料学院，西安710072；4.大阪大学接合科学研究所，日本大阪茨木567-0047； 5.西北工业大学民航学院，西安710072)

金属基复合材料(MMCs)具有比强度和比模量高、热膨胀系数低、耐高温及耐疲劳性等优点，在航空航天和交通运输等领域有着广泛的应用前景。自1991年首次用透射电镜发现碳纳米管(CNTs)以来[1]，因强度高(最高约为100 GPa)、弹性模量高(最高约为1 TPa)、导热导电性良好及热膨胀系数较低等特性[2]，引发了科学界的研究热潮并成为金属基复合材料中最理想的增强相之一。铝合金因密度小和强度高已被广泛应用于航空航天及交通运输等领域。然而，随着工业的发展，对材料的比强度和比刚度等力学性能提出了更高的要求，研究者们期望能通过在金属材料中掺杂增强相的方式提升材料的力学性能。作为理想的强化相，CNTs被掺杂到铝合金中以获得高性能铝基复合材料。1998年，Kuzumaki等[3]首次将多层管壁碳纳米管(MWCNTs)添加到铝基复合材料中，揭开了CNTs增强金属基复合材料研究的序幕。目前，国内外对铝基碳纳米管增强复合材料(CNTs/Al)的研究主要集中在材料的制备过程、微观结构及静态力学行为和微观强化机制上。如，上海交通大学Wei等[4-5]参考贝壳等生物材料设计了多尺度复合构型，通过工艺控制制造了性质优异的CNTs/Al叠层复合材料，并深入研究了静态加载下的微观变形机理；西安理工大学Zhang等[6]和西北工业大学Chen等[7]结合微观表征对利用传统粉末冶金制备的CNTs/Al的增强机制进行了分析；科学院金属研究所Liu等[8-9]利用粉末冶金与后续搅拌摩擦加工(FSP)相结合的方法制备了CNTs/2009Al复合材料，并着重探讨了加工过程中微观结构的变化对材料静态力学性能的影响等。

另一方面，航空航天飞行器、汽车及轨道交通工具等在服役过程中，会不可避免地遭遇可预知和不可预知的冲击载荷作用，如飞行器着陆、空间碎片撞击、鸟撞及车辆碰撞等。作为以上述领域为应用背景的结构材料，铝基复合材料在动态载荷下的力学行为和变形失效机制是确保相应结构件安全服役的关键。然而，目前对CNTs/Al动态加载下的研究还非常欠缺。据了解， Habibi等[10]对混杂1%Al-CNTs/Mg材料在静动态加载下的力学行为和微观变形机制进行了研究，发现该材料具有明显的应变率效应； Yang等[11]研究了CNTs/Al 泡沫复合材料在静动态压缩下的力学行为，发现CNTs/Al泡沫复合材料的压缩强度与能量吸收均随CNTs含量和应变率的增加而增加，且具有很强的率敏感性； Zhao等[12]对石墨烯(GNP)增强铝基层状复合材料进行了微柱压缩实验，结果表明，GNP增强效率随着应变率升高而增加； Wang等[13]对CNTs/Al的动静态拉伸性能进行了分析，加入发现CNTs不但提高了材料强度，还增加了材料的应变率效应,但该材料在动静态加载的拉压力学性能的对比却很少见报道。

因此，本文利用电子万能实验机和Hopkinson杆加载系统对碳纳米管质量分数为1%的CNTs/Al进行了动静态拉压力学性能测试，并分析了不同加载条件下的力学行为机制及CNTs掺杂对应变率效应和应变硬化的影响。

1材料与实验

1.1材料制备与微观表征

实验试样以纯度为99.9%的纯铝粉末和多壁碳纳米管(MWCNTs)为原始材料，通过粉末冶金方法制备而成。首先，将纯铝粉末与ω=1% 的MWCNTs混合粉末球磨4 h；随后，对混合粉末进行等离子烧结和热挤压，得到直径为7 mm的棒状材料。为进行对比，纯铝试样的制备亦采用相同工艺路径，具体工艺参数见文献[14]。球磨后的纯铝粉末、纯铝与CNTs混合粉末的形态由扫描电子显微镜(SEM)观察得到；挤压态试样的微观结构由透射电镜(TEM)观察得到，包括CNTs形态、尺寸及在基体中的分布；试样的晶粒尺寸则由电子背散射衍射(EBSD)技术分析得到。

1.2力学实验方法

准静态和动态压缩力学性能测试实验均使用尺寸为Φ5 mm×5 mm的试样。静态拉伸试样标距段尺寸为Φ3 mm×15 mm；动态拉伸试样标距段尺寸为Φ3 mm×5 mm；所有试样的加载方向与挤压方向相同。试样的静态加载通过电子万能试验机进行，实验过程中采取压头速度控制实现约5×10-4s-1的应变率加载。动态加载采用分离式Hopkinson压杆和拉杆，真实应变率控制在2 300 s-1左右。根据1维弹性应力波理论，试样的应力、应变与加载应变率之间的关系可表示为[15]

(1)

(2)

(3)

其中，εR，εT分别为反射应变脉冲和透射应变脉冲，二者均通过应变片测得；C0、E和A分别为加载杆的纵向弹性波波速、弹性模量及试样的横截面积；ls,As分别为试样长度和试样标距段的横截面积。

2实验结果

2.1材料微观表征

图1为CNTs/Al的TEM表征图。由EBSD分析结果可知，挤压态纯铝与CNTs/Al平均晶粒尺寸分别为1.96 μm和1.54 μm。与纯铝相比，CNTs/Al的晶粒尺寸进一步减小，表明CNTs有细化晶粒的作用。通过对球磨后的纯铝与CNTs混合粉末进行SEM观察发现，对CNTs进行高能分散时，也会使CNTs发生断裂，长度变短，统计可知CNTs平均长度和长径比分别为324 nm和25。另一方面，通过大量TEM实验观察可见，CNTs大致平行于挤压方向；虽然CNTs仍主要集中分布于晶粒边界，如图1(a)所示，但也有部分分散于晶粒内部，如图1(b)所示，表明高能球磨对CNTs的分散有良好的效果。

(a)CNTs distributed in the grain boundaries

(b)CNTs distributed in the grains

2.2材料的力学性能

图2为球磨纯铝及CNTs/Al动静态应力-应变曲线。压缩实验中，所有材料均为均匀变形且未观测到裂纹和失效。在动态压缩下，材料所达到的最大应变受入射波脉冲宽度控制，为方便对比观察，截取30%真实应变之前的应力-应变曲线；静态压缩加载到真实应变为30%后进行卸载。

(a)Compression

(b)Tension

由图2可见，添加CNTs显著提升了纯铝材料的强度；另外，对比准静态和动态加载实验结果可见，无论是压缩还是拉伸条件下，纯铝和CNTs/Al均表现出明显的应变率效应，即试样的动态强度远高于准静态强度且2种材料的拉伸断裂应变随应变率提高而大幅增加。由图2(b)可见，除强度和拉伸断裂应变外，纯铝与CNTs/Al在动态加载条件下具有更强的应变硬化能力。

图3为球磨纯铝及CNTs/Al动态加载下的断裂图。

(a)Pure Al

(b)CNTs/Al

由图3(a)可见，高速摄影可观察到动态加载下纯铝仍具有非常显著的颈缩现象；由图3(b)可见，CNTs/Al则更多表现出均匀变形而无明显颈缩的迹象。实验结果表明，掺杂CNTs改变了材料的变形失效或断裂机制。

3讨论

3.1增强机制讨论

由于CNTs的加入，CNTs/Al动静态加载下的拉压强度均有了显著提高。但由于金属基复合材料的组分较复杂，CNTs/Al中可能存在的增强机制，包括晶粒细化增强、CNTs引起的位错机制增强和CNTs载荷转移增强等。

材料制备过程中高能球磨导致晶粒细化，同时分布于基体中的CNTs阻碍晶粒长大，也起到了细化晶粒的作用；细晶材料具有较大的晶界面积来阻碍位错运动，导致材料屈服强度的增加[16]。图4为CNTs/Al复合材料动态拉伸加载后微观表征。由图4(a)和图4(b)可见，CNTs属于纳米增强相，材料制备过程中经高能球磨长度又显著缩短，拉伸试样断后CNTs-Al界面处存在大量位错，故CNTs引起的位错增强不可忽略。此外，由于CNTs与基体弹性模量不同，在受到载荷作用时，为保持在界面处的应变协调，载荷从基体向CNTs进行传递，使CNTs承担更大的载荷，造成复合材料强度的提高。在断口表征中发现拔出的CNTs证实了这一机制的存在，如图4(c)所示。Chen等[7]曾通过原位观测证实了CNTs/Al中CNTs的载荷传递机制。由于CNTs优异的力学性能，载荷转移机制无疑是最理想的增强机制，但由于材料制备复杂，CNTs/Al的强化实则是多种强化机制相互作用的结果。

(b)Inverse FFT of boxed areas in CNTs-Al interface

(c)CNTs pull out

3.2应变率效应讨论

为定量计算纯铝及CNTs/Al复合材料在动静态加载下的强度变化，定义动态加载下材料的流动应力增强率为[17]

R=(σd-σq)/σq

(4)

其中，σd，σq分别为动态和准静态下材料的流动应力值，从一定程度上可表征应变率效应。

表1列出了塑性应变为3%和7%时，纯铝及CNTs/Al在动准静态拉伸和压缩载荷下的流动应力及增强率。对于同一种材料，无论是拉伸还是压缩加载，动态下的应力值均明显高于准静态下的值，表现出显著的应变率效应。由此推断CNTs/Al的应变率敏感性与基体纯铝的应变率敏感性相关，这与文献[18]中颗粒增强铝基复合材料的应变率敏感性来源于基体合金的观点相一致。对于压缩加载，与纯铝相比，CNTs/Al在不同塑性应变处的增强率有降低趋势；而对于拉伸加载，CNTs/Al的增强率略高于纯铝，与压缩加载相反。

表1 塑性应变为3%和7%时，纯铝及CNTs/Al在动准静态拉伸和压缩载荷下的流动应力及增强率Tab.1 Flow stress and enhancement rate of pure Al and CNTs/Al at 3% and 7% plastic strain

近年来，关于普通颗粒及纤维增强金属基复合材料率敏感性已开展了大量研究，普遍认为增强相对基体塑性流动的限制及变形过程中增强相周围的高位错累积速率导致了复合材料应变率敏感性高于基体[18]，然而，本文中CNTs/Al的应变率敏感性在拉伸加载下有所增强，但在压缩加载下却被削弱。实际上，CNTs/Al的应变率敏感性是基体、增强相、界面及破坏模式共同作用的结果。CNTs在拉压加载下的受力状态与变形模式会影响界面处应力状态，进而影响CNTs/Al在拉压加载下的应变率敏感性。在CNTs/Al中，大部分CNTs近似平行于挤压方向，在拉伸时CNTs与Al基质主要通过界面剪切力来进行载荷的传递；当CNTs/Al承受压缩载荷时，因CNTs长径比高达25，极易发生屈曲现象，此时，界面周围实则是以压缩和剪切为主的混合应力状态。Silvestre等[19]曾利用分子动力学方法模拟了CNTs/Al在静态压缩加载下的力学行为，发现CNTs会随着应变不断加大出现不同程度的屈曲和扭折，证实了该现象发生的可能性。因此，由拉压受载导致的CNTs承载方式改变，必然引起材料应变率敏感性随着拉压载荷方式的不同而有所区别。此外，增强相本身也具有应变率敏感性，研究结果表明CNTs具有应变率敏感性且强度随应变率的增加而增加[20]。因此，在拉压加载下，与金属基体的应变率敏感性耦合作用势必也会影响金属基复合材料最终的应变率敏感性。但对于后者，目前仍缺乏有力的量化方法，亟待开展进一步研究。