碳纳米管增强铜基复合材料的拉伸性能
许玮1, 李炳宏2, 贾妍1, 王西珍1     
1. 西安工程大学 机电工程学院, 陕西 西安 710048;
2. 中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西 西安 710072
摘要: 采用粉末冶金方法制备不同体积分数的CNTs/Cu和Gra./Cu复合材料,分析两者的相对密度和硬度,考察其拉伸性能,并探讨各自的断裂机制.结果表明,相同增强体体积分数条件下,CNTs/Cu的相对密度和硬度均大于Gra./Cu,且在增强体体积分数为12%时达到最大值;CNTs/Cu的最大拉伸强度为81MPa,Gra./Cu的最大拉伸强度77.5 MPa;CNTs/Cu的断裂形貌为沿晶断裂和穿晶断裂的混合断裂形貌,Gra./Cu的断裂形貌为沿晶断裂.说明纳米级的高强碳管能更加充分地填充在铜颗粒的间隙内,且具有大长径比,易弯曲缠绕,形成网状结构,可限制微裂纹的扩展,提高了铜基体的抗塑变能力.
关键词: 碳纳米管     铜基复合材料     抗拉强度     断裂机制    
Tensile property of CNTs reinforced copper matrix composites
XU Wei1, LI Binghong2, JIA Yan1, WANG Xizhen1     
1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China;
2. Xi'an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi'an 710072, China
Abstract: The CNTs/Cu composites and Gra./Cu composites were fabricated by the powder metallurgy technique. In order to study the reinforcing properties of CNTs in copper matrix, the hardness, relative density, tensile strength and fracture mechanism of CNTs/Cu were studied compared with Gra./Cu. The results show that the hardness and relative density of CNTs/Cu achieve peak with 12% CNTs content, and are always bigger than those of Gra./Cu with the same reinforcement content; the maximum tensile strength is 81 MPa for CNTs/Cu and 77.5 MPa for Gra./Cu; CNTs/Cu display the mix fracture features of inter-grain and trans-grain, while Gra./Cu displays intergranular fracture. CNTs with high strength, distributed in meshwork and acting as framework, could restrict the extending of crack and improve the strength and ductibility of the composites.
Key words: CNTs    Cu matrix composites    tensile strength    fracture features    
0 引言

碳铜复合材料具有较高的导电、导热以及耐蚀、耐磨等性能, 可作为电刷材料、电子材料、耐磨材料以及喷嘴材料等被广泛应用于各工业部门[1-3].随着航天和电子等工业的迅猛发展, 对碳铜复合材料的综合性能提出了更高的要求[4-5].例如大规模的集成电路引线框架材料需要抗拉强度≥600 MPa, 电导率≥5.2 S/m, 抗高温软化温度≥800 K[6].传统铜基复合材料强度的提高在很大程度上是以牺牲电导率和热导率为代价的[7].因此, 如何在保持较高电导率水平的前提下, 大幅度地提高强度已成为铜基材料研究与开发的中心任务.

碳纳米管的特殊结构决定了其特殊的性质和用途, 端面碳五元环的存在, 增强了它的反应活性.在外界高温和其他反应物质存在的条件下, 很容易在端面处被打开, 形成一个管子, 极易被金属浸润.与金属形成的金属基复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、热膨胀系数小和抗热变性强等一系列优异性能, 使得碳纳米管在复合材料增强体方面具有诱人的应用前景[8-11].本文分析碳纳米管增强铜基复合材料和石墨增强铜基复合材料的力学性能, 并对碳纳米管对铜基体的增强机制进行研究, 为今后探明材料的宏观性能与微观组织的联系寻求增强规律, 制备高性能的铜基复合材料提供实验依据.

1 实验

原料分别是纯度为99.9%的铜粉、胶体石墨粉和多壁镀镍碳纳米管, 将铜粉与石墨或碳纳米管增强体按一定比例(增强体体积分数分别为:0%, 5%, 10%, 12%, 15%)混合, 放入行星式球磨机中球磨5 h, 球磨时加入少量酒精以防止粉末氧化, 球磨混合可适当改善碳纳米管与铜基体的润湿[12-13].采用粉末冶金方法[14]制得石墨增强铜基复合材料Gra./Cu和碳纳米管增强铜基复合材料CNTs/Cu.采用TESCAN型扫描电子显微镜观察复合材料的组织结构, 图 1所示为12%CNTs/Cu复合材料的SEM照片.采用HBE-3000A型布氏硬度计测试复合材料的布氏硬度, 将所制备的CNTs/Cu复合材料样品用机加工的方法制成拉伸试样(如图 2所示), 在WAW-600C型拉伸试验机上考察其拉伸性能.采用JSM-56102V型扫描电子显微镜分析复合材料的断裂形貌.

图 1 CNTs/Cu复合材料的组织SEM照片 Figure 1 SEM micrographs of CNTs/Cu composites
图 2 拉伸试样图 Figure 2 The sample of tensile test
2 结果与讨论 2.1 复合材料的相对密度和硬度

Gra./Cu和CNTs/Cu两种复合材料的相对密度和布氏硬度随增强体体积分数变化的关系曲线如图 3所示.从图 3可以看出, 两种复合材料的相对密度和硬度随增强体体积分数的变化趋势基本一致, 在增强体体积分数相同的条件下, CNTs/Cu的相对密度和硬度均大于Gra./Cu.因为纳米级的高强纤维状CNTs能更加充分地填充在铜颗粒的间隙内, 提高其致密度, 而且局部网状结构分布也可提高铜的抗塑性变形能力.CNTs的体积分数小于12%时, 复合材料的相对密度和硬度随CNTs含量的增加逐渐增加, 达到最大值之后又逐渐下降.因为CNTs含量一定时, 可以被铜粉有效地分散, 较少结团、网状结构致密,抗塑变能力强, 使CNTs/Cu的硬度较高; 由于CNTs的尺寸大于金属晶格, 因而当其含量超过一定值后容易在晶界上聚集成团, 隔断了铜基体的连续性, 晶间的结合力被削弱, CNTs的高强性能严重失效, 复合材料的硬度急剧下降.因此, 只针对体积分数为12%Gra./Cu和12%CNTs/Cu两种复合材料做拉伸性能的实验和分析.

图 3 复合材料相对密度和硬度随增强体含量变化的关系曲线 Figure 3 Relation curve of relative density and hardness of composites with reinforcement contents
2.2 复合材料的拉伸性能

室温条件下对所制备的增强体体积分数为12%的铜基复合材料进行了拉伸强度测试, 测得Gra./Cu的最大拉伸强度为77.5 MPa, CNTs/Cu的最大拉伸强度为81 MPa, 并得到如图 4所示的载荷-位移曲线.从图 4可以看出, 在载荷的作用下, 铜基复合材料首先发生了弹性变形, 随着载荷增加到某一定值, 复合材料开始发生塑性变形, 并且随着塑性变形的不断进行, 复合材料局部强度急剧升高, 发生局部缩颈, Gra./Cu在位移0.17 mm时所受拉伸载荷达到最大值, CNTs/Cu在位移0.38 mm时所受拉伸载荷最大, 之后材料发生断裂.碳纳米管不仅具有比基体铜更高的强度, 而且具有大长径比, 易弯曲缠绕, 形成网状结构, 可限制微裂纹的扩展, 起到增强增韧的作用.但是, 粉末冶金法制备的CNTs/Cu复合材料组织是由基体Cu、CNTs和孔隙组成.孔隙常出现在CNTs与Cu的界面处, 呈狭长的扁孔, 不仅减小了复合材料的有效承载面积, 还容易诱发应力集中, 使材料的抗拉强度降低.因此, CNTs在基体中的均匀分布和界面结合对铜基复合材料强度的提高非常关键.

图 4 复合材料的载荷-位移曲线 Figure 4 Curve of load of composites with displacement
2.3 复合材料的断裂机制

材料的断口形貌是由微裂纹的产生和扩展方式决定的.图 5(a)为Gra./Cu试样的拉伸断口形貌照片,可以看出其断裂形貌为沿晶断裂.在外力作用下,孔隙尖端应力集中,产生裂纹,Gra./Cu界面的结合强度低,裂纹在晶界扩展遇到的阻力较小,消耗的能量也少;跟界面相比,颗粒内部一般具有比较高的屈服强度,使得微裂纹在晶内的扩展阻力较高.因此,裂纹会沿阻力较小的晶界进行扩展,形成沿晶断裂的形貌.图 5(b)为CNTs/Cu试样的拉伸断口形貌照片,其断裂形貌为沿晶断裂和穿晶断裂的混合断裂形貌.在CNTs跟铜基体的复合过程中,CNTs很难进入铜颗粒内部,主要分布在界面处,因而存在较多的孔隙,容易成为裂纹源,但是强度较高的碳纳米管,弥散分布在界面处也可以起到增强界面的作用,使得界面的屈服强度高于颗粒内部.另外,复合材料的断裂方式除受晶界影响外,还受晶粒内部裂纹密度和扩展方式的影响.载荷作用下,铜颗粒内部也可能产生裂纹,在其扩展过程中,碳纳米管对微裂纹起到桥连作用,使得裂纹在界面扩展的阻力较大,而沿着阻力较小的晶内进行扩展,形成穿晶断裂形貌.但是由于碳纳米管在基体中不能完全均匀分布,对于碳纳米管含量较少或是缺陷较多的界面,裂纹扩展的阻力较小,在断裂的过程中同时发生沿晶断裂.

图 5 复合材料的拉伸断口形貌照片 Figure 5 SEM micrographs of rupture surfaces of composites
3 结论

(1) 铜基复合材料的相对密度和硬度在增强体体积分数为12%时达到最大值, 且在相同增强体体积分数条件下, CNTs/Cu的相对密度和硬度均大于Gra./Cu.纳米级的高强碳管能更加充分地填充在铜颗粒的间隙内, 且局部网状结构的分布可以提高铜基体的抗塑变能力.

(2) Gra./Cu和CNTs/Cu的最大拉伸强度分别为77.5 MPa和81 MPa.Gra./Cu复合材料断裂形貌为沿晶断裂, CNTs/Cu复合材料的断裂形貌为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂形貌.

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西安工程大学主办。
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许玮, 李炳宏, 贾妍, 王西珍
XU Wei, LI Binghong, JIA Yan, WANG Xizhen
碳纳米管增强铜基复合材料的拉伸性能
Tensile property of CNTs reinforced copper matrix composites
西安工程大学学报, 2017, 31(4): 533-536
Journal of Xi′an Polytechnic University, 2017, 31(4): 533-536

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收稿日期: 2016-12-28

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