Упрочнение композиционных материалов на основе металлической матрицы и углеродных нанотрубок

Рассмотрены механизмы упрочнения металлической матрицы частицами наноразмерного наполнителя. Выполнен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений предела прочности для образцов на основе медной матрицы и углеродных нанотрубок (УНТ). Представлены линейная и среднеквадратическая модели упрочнения композиционных материалов с наноразмерным наполнителем. Показано, что применение среднеквадратической модели обеспечивает получение значений предела прочности близких к экспериментальным при концентрации УНТ в материале до 0,07 мас.%. Установлено, что по критерию прочности оптимальным содержанием УНТ в материале является 0,07 мас.%. С увеличением содержания УНТ в материале свыше 0,07 мас.% значения предела прочности, определенные экспериментальным путем, резко снижаются, что связано с разупрочнением металлической матрицы. Расчетным путем продемонстрировано, что механизм образования петель Орована является преобладающим механизмом упрочнения композиционных материалов медь – УНТ. Преобладание механизма упрочения за счет образования петель Орована над другими механизмами упрочнения объясняется относительно низкой эффективностью передачи нагрузки между исходными компонентами материала из-за слабой межфазной связи между матрицей и наполнителем, недостаточно равномерным распределением УНТ в металлической матрице, агломерацией наноразмерного наполнителя, расположением некоторого количества УНТ в поровом пространстве металлической матрицы, наличием пор неправильной формы. Результаты исследований использованы при разработке новых антифрикционных композиционных материалов с улучшенными прочностными свойствами для узлов трения машин и механизмов различного назначения.

1. Mirza, F. A Unified model for the prediction of yield strength in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites / F. Mirza, D. L. Chen // Materials. – 2015. – Vol. 8, iss. 8. – P. 5138–5153. https://doi.org/10.3390/ma8085138

2. In situ synthesis of CNTs in Mg powder at low temperature for fabricating reinforced Mg composites / F. J. Sun [et al.] // J. Alloys Comp. – 2013. – Vol. 551. – P. 496–501. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.11.053

3. Metal matrix composites reinforced with carbon nanotubes by an alternative technique / C. A. Merino [et al.] // J. Alloys Compd. – 2017. – Vol. 707. – P. 257–263. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.11.348

4. Synthesis of CNT-reinforced AZ31 magnesium alloy composites with uniformly distributed CNTs / G. Q. Han [et al.] // Mater. Sci. Eng., A. – 2015. – Vol. 628. – P. 350–357. https://doi.10.1016/j.msea.2015.01.039

5. Agarwal, A. Carbon nanotubes: reinforced metal matrix composites / A. Agarwal, S. R. Bakshi, D. Lahiri. – Boca Raton: CRC Press, 2010. – 325 р.

6. Kelly, A. Tensile properties of fibre-reinforced metals: copper/tungsten and copper/molybdenum / A. Kelly, W. R. Tyson, J. Mech // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 1965. – Vol. 13, iss. 6. – P. 329–350. https://doi.org/10.1016/0022-5096(65)90035-9

7. Microstructure and mechanical properties of AZ91 alloy reinforced by carbon nanotubes coated with MgO / Q. H. Yuan [et al.] // Carbon. – 2016. – Vol. 96. – P. 843–855. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.10.018

8. Strengthening in carbon nanotube/aluminium (CNT/Al) composites / R. George [et al.] // Scripta Materialia. – 2005. – Vol. 53, iss. 10. – Р. 1159–1163. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2005.07.022

9. Miller, W. S. Strengthening mechanisms in particulate metal-matrix composites: reply to comments by arsenault / W. S. Miller, F. J. Humphreys // Scripta Metallurgica et Materialia. – 1991. – Vol. 25, iss. 11. – P. 2623–2626. https://doi.org/10.1016/0956-716x(91)90080-k

10. Improved processing of carbon nanotube/magnesium alloy composites / Q. Q. Li [et al.] // Compos. Sci. Technol. – 2009. – Vol. 69, iss. 7–8. – Р. 1193–1199. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.02.020

11. Влияние плотности дислокаций на сопротивление высокоскоростной деформации и разрушению в меди М1 и аустенитной нержавеющей стали / С. В. Разоренов [и др.] // Физ. мезомеханика. – 2017. – Т. 20, № 4. – С. 42–51.

12. Effect of graphene nanoplatelets addition on mechanical properties of pure aluminum using a semi-powder method / M. Rashad [et al.] // Progress in Natural Science: Materials International. – 2014. – Vol. 24, iss. 2. – P. 101–108. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2014.03.012

13. Bandow, S. Radial thermal expansion of purified multiwall carbon nanotubes measured by X-ray diffraction / S. Bandow // Jpn. J. Appl. Phys. Part 2. – 1997. – Vol. 36, № 10B. – P. 14–23. https://doi.org/10.1143/jjap.36.l1403

14. Schelling, P. K. Thermal expansion of carbon structures / P. K. Schelling, P. Keblinski // Phys. Rev. B: Condens. Matter. – 2003. – Vol. 68, № 3. – Р. 35–45. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.035425

15. Li, Q. Q. CNT reinforced light metal composites produced by melt stirring and by high pressure die casting / Q. Q. Li, C. A. Rottmair, R. F. Singer // Compos. Sci. Technol. – 2010. – Vol. 70, iss. 16. – P. 2242–2247. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2010.05.024

16. Губенко, С. И. Неметаллические включения в стали / С. И. Губенко, С. П. Ошкадеров. – Киев: Наук. думка, 2016. – 528 с.

17. Zhang, Z. Consideration of Orowan strengthening effect in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites: A model for predicting their yield strength / Z. Zhang, D. L. Chen // Scripta Materialia. – 2006. – Vol. 54, iss. 7. – P. 1321– 1326. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2005.12.017

18. Microstructure and strengthening mechanism of carbon nanotubes reinforced magnesium matrix composite / C. D. Li [et al.] // Mater. Sci. Eng., A. – 2014. – Vol. 597. – P. 264–269. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.01.008

19. Пасовец, В. Н. Получение, свойства и безопасность композитов на основе порошковых металлов и нано-структрур углерода / В. Н. Пасовец, В. А. Ковтун, Ю. М. Плескачевский. – Гомель: БелГУТ, 2011. – 200 с.

20. Ковтун, В. А. Металлоуглеродные композиционные порошковые материалы для ответственных узлов ма-шин и механизмов / В. А. Ковтун, В. Н. Пасовец, Ю. М. Плескачевский. – Гомель: БелГУТ, 2013. – 283 с.

21. Improved processing of carbon nanotube/magnesium alloy composites / Q. Q. Li [et al.] // Compos. Sci. Technol. – 2009. – Vol. 69, iss. 7–8. – P. 1193–1199. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.02.020

22. Deformation and strengthening mechanisms of a carbon nanotube reinforced aluminum composite / F. Mokdad [et al.] // Carbon. – 2016. – Vol. 104. – P. 64–77. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.03.038

23. Порошковые нанокомпозиты триботехнического назначения / В. Н. Пасовец [и др.]. – Минск: КИИ, 2016. – 295 с.

24. Venugopal, T. Synthesis of copper–alumina nanocomposite by reactive milling / T. Venugopal, K. Prasad Rao, B. S. Murty // Mater. Sci. Eng., A. – 2005. – Vol. 393. – P. 382–386. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.10.035

25. Goujon C. Influence of the content of ceramic phase on the precipitation hardening of Al alloy 7000/AlN nanocomposites / C. Goujon, P. Goeuriot // Mater. Sci., Eng., A. – 2003. – Vol. 356. – P. 399–404. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00154-0

26. Tensile properties of reactive stir-mixed and squeeze cast Al/CuOnp-based metal matrix nanocomposites / J. B. Ferguson [et al.] // Mater. Sci. Eng., A. – 2014. – Vol. 611. – P. 326–332. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.06.008

27. Kelly, P. M. The effect of particle shape on dispersion hardening / P. M. Kelly // Scripta Metallurgica. – 1972. – Vol. 6, iss. 8. – P. 647–656. https://doi.org/10.1016/0036-9748(72)90120-2