多壁碳纳米管在铝粉中的分散性研究

张新凯

摘 要：本论文研究了多壁碳纳米管和Al粉的混合粉球磨制备纳米级混合粉末的工艺过程，Al粉为基体材料，增强相为多壁碳纳米管。结果表明，在其他实验参数相同的条件下，球磨机转速和球磨时间对铝基复合材料的颗粒组织形貌及性能影响很大，并对其组织相貌进行了了研究，从图象对比中得到结论。

关键词：球磨时间；球磨转速；多壁碳纳米管和Al粉；混合粉末

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.004

1 课题的背景和意义

铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。铝基复合材料具有比强度、比刚度高，疲劳强度高，耐磨性能好，且复合工艺相对简单、灵活多样等优点，在金属基复合材料中占主导地位。

采用不同的增强体制备复合材料时，制备的工艺方法有所不同，下面从增强体的角度介绍各种铝基复合材料的制备方法。颗粒增强铝基复合材料的制备方法各有千秋，实际应用时，可根据材料的性能要求及设备条件选择适宜的制备方法。

2 实验方法

2.1 实验材料和设备

2.1.1 主要实验材料

实验中所用的基体材料为商业用纯铝粉，纯度为99%上。增强相为深圳市纳米港有限公司生产的多壁碳纳米管，直径为60-100nm。

2.1.2 实验仪器

（1）电子秤，用于准确称量铝粉和多壁碳纳米管的质量。

（2）球磨机，球磨机是南京大学仪器厂生产的QM-1SP4-cl型行星式球磨机。

（3）飞利浦公司生产的FEI siron 200扫描电镜（SEM），用于观察混合粉末颗粒组织形貌，以便进行分析和研究，从而得到实验结果和结论。

2.2 实验方案

2.2.1 实验前的准备

在球磨过程中使用的是玛瑙磨球，先刷洗球磨罐，然后风干，以备球磨时没有杂质。

2.2.2 实验方案

本次试验为增加球磨时间不同和转速不同的对比性，而更加明显的得到实验结论，采用了两个方案。

方案一：用电子秤量取多壁碳纳米管0.2g，Al粉5g，倒入球磨罐中混合。把球磨罐安装到球磨机上，开启电源，开始对多壁碳纳米管和Al粉混台粉末进行机械球磨。设定球磨机转速300r/min，每10min换向一次。30min后取一次样，2h后取一次样，设定的最长球磨时间就为2h。球磨时要注意安全事项和实验操作方法及步骤。

方案二：用电子秤量取多壁碳纳米管0.2g，Al粉5g，倒入球磨罐中混合。把球磨罐安装到球磨机上，开启电源，开始对多壁碳纳米管和Al粉混台粉末进行机械球磨。设定球磨机转速400r/min，每10min换向一次。30min后取一次样，2h后取一次样，设定的最长球磨时间就为2h。球磨时也要注意安全事项和实验操作方法及步骤。

两个实验方案结束后，球磨得到四个实验试样，分别为：

（1）MN 多壁碳纳米管+Al粉，球磨转速300r/min，球磨时间30min；

（2）MN 多壁碳纳米管+Al粉，球磨转速300r/min，球磨时间2h；

（3）MN 多壁碳纳米管+Al粉，球磨转速400r/min，球磨时间30min；

（4）MN 多壁碳纳米管+Al粉，球磨转速400r/min，球磨时间2h。

3 实验结果及讨论

3.1 四种试样的20000倍SEM组织形貌比较

3.1.1 试样1和试样2的20000倍SEM组织形貌比较

从图像中可明显地观察到，球磨转速在300rpm下球磨2h后的多壁碳纳米管和Al粉混台粉的颗粒组织混合均匀，表面比较光滑，说明碳管已大部分进入铝粉颗粒，混合比较均匀，而球磨转速在300rpm下球磨30min后的多壁碳纳米管和Al粉混合粉颗粒表面，并未和铝粉完全混合，这说明球磨时间的延长可使颗粒组织混合均匀。

3.1.2 试样3和试样4的20000倍SEM组织形貌比较

从图像中可明显地观察到，球磨转速在400rpm下球磨2h后的多壁碳纳米管和Al粉混台粉的20000倍SEM组织中的混合粉末的颗粒组织混合情况要好得多，说明碳管已大部分进入铝粉颗粒，混合比较均匀，而球磨转速在400rpm下球磨30min后的多壁碳纳米管和Al粉混台粉的20000倍SEM倍形貌组织中碳管大部分在铝粉颗粒表面，而且聚集在一起，并未和铝粉完全混合均匀，这说明球磨时间的延长可使颗粒组织均匀的分散度增加。

3.1.3 四种试样的共同比较

球磨转速在400rpm下，相同球磨时间作比较，不论是颗粒的细化程度，还是颗粒的混合的均匀分散程度，都要比在300rpm下要好得多。可见在高球磨转速和长球磨时间下，对多壁碳纳米管和Al粉的混合粉末的细化程度和均匀程度会提高很多。

3.2 小结

通过图像对比，可知，在球磨转速相同的情况下，球磨时间越长，多壁碳纳米管和Al粉的混合粉末的组织颗粒就越小，混合的就越均匀；在球磨时间相同的情况下，转速越高，多壁碳纳米管和Al粉的混合粉末的组织颗粒就越小，混合的就越均匀。但在低球磨转速下，球磨时间的增加会促进颗粒细化和混合均匀，但球磨效果依然不好。所以在高球磨转速和长球磨时间下，对多壁碳纳米管和Al粉的混合粉末的细化程度和均匀程度会提高很多。由此，要想研究多壁碳纳米管在Al粉中的分散性，球磨时间和球磨转速对其研究结果影响很大。

4 结论

通过本次不同球磨时间以及球磨转速对多壁碳纳米管和Al粉的混合粉末在球磨后的颗粒大小和分散程度的实验，得知球磨条件对多壁碳纳米管和Al粉的混合粉末的粒度影响很大。

得到的结论如下：对于多壁碳纳米管和Al粉的混合粉末，随着球磨时间的延长和球磨转速的提高，颗粒直径尺寸减小，可容易制得组织颗粒小、分布均匀的混合粉末。

所以对于一定的多壁碳纳米管和Al粉的混合粉，在机械球磨过程中用不同的球磨时间和球磨转速对铝基复合材料颗粒的均匀分布有着重要影响。球磨转速越高，球磨时间越长，对多壁碳纳米管在Al粉中的分散程度越高，即组织颗粒越小，混合越均匀。

参考文献：

[1]许世拯.复合材料概论[Z].大连铁道学院图书馆，1986.

[2]樊云昌，崔凤书，姜稚清.铝基复合材料及其在机车车辆上的应用[J].石家庄铁道学院学报，1996，9（04）：25-29.