РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКООДНОРОДНОЙ СУХОЙ СМЕСИ «АЛЮМИНИЕВЫЙ ПОРОШОК – ОДНОСТЕННЫЕ УНТ» В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ

  • Николай Иванович Веткасов Ульяновский государственный технический университет
  • Анатолий Иванович Капустин Ульяновский государственный технический университет
  • Валерий Викторович Сапунов Ульяновский государственный технический университет
Ключевые слова: композиционный материал; алюминий; углеродные нанотрубки; механическое легирование; композиционные гранулы; нормализация шихты

Аннотация

Рассмотрена проблема синтеза нанокомпозитов на алюминиевых матрицах, армированных углеродными нанотрубками, с высокими физико-механическими характеристиками, в части достижения однородной дисперсии углеродных нанотрубок в алюминиевой матрице композита. Разработаны основы технологии приготовления и определены требования к параметрам так называемой нормализованной шихты (высокооднородной по объему сухой смеси «алюминиевый порошок – одностенные углеродные нанотрубки»), предназначенной для эффективного синтеза композиционных гранул механическим легированием.

В качестве исходных материалов использовали порошок алюминиевый первичный дисперсный марки ПАД-1, одностенные углеродные нанотрубки TUBALL и стеариновую кислоту в качестве агента регулирования процесса. Процессы нормализации и механического легирования проводили в механическом реакторе авторской конструкции. Полученные композиционные гранулы подвергали холодному, а затем горячему компактированию. Показана эффективность предложенного авторами нового подхода к осуществлению эффективного армирования алюминиевого матричного порошка нанотрубками. В основу такого подхода положено обеспечение эффективной дисперсии углеродных нанотрубок в легируемый матричный материал за счет введения в технологию синтеза композиционных гранул, представляющих собой полуфабрикат для получения композиционного материала с высокими физико-техническими характеристиками, специальной технологической операции – «нормализации» шихты.

Представлены данные о достигаемых прочностных параметрах полуфабрикатов алюмоматричных композитов, при изготовлении которых использовали нормализованную шихту. Показано, что применение разработанной технологии нормализации шихты обеспечивает повышение прочностных характеристик полуфабрикатов композиционных материалов не менее чем на 25 % по сравнению с технологией без применения нормализации. Полученные в ходе исследований результаты могут быть использованы при совершенствовании технологий получения алюмоматричных композитов.

Биографии авторов

Николай Иванович Веткасов, Ульяновский государственный технический университет

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения»

Анатолий Иванович Капустин, Ульяновский государственный технический университет

заведующий лабораторией

Валерий Викторович Сапунов, Ульяновский государственный технический университет

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения»

Литература

Anantha Prasad M.G., Bandekar N. Study of Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum/Garnet/Carbon Hybrid Metal Matrix Composites (HMMCs) Fabricated by Chill Casting Method // Journal of Materials Science and Chemical Engineering. 2015. Vol. 3. № 3. P. 1–8.

Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2007. 416 с.

Ostovan F., Matori K.A., Toozandehjani M., Oskoueian A., Yusoff H.M., Yunus R., Ariff A.M., Quah H.J., Lim W.F. Effects of CNTs content and milling time on mechanical behavior of MWCNT-reinforced aluminum nanocomposites // Materials Chemistry and Physics. 2015. Vol. 166. P. 160–166.

Бунаков Н.А., Голованов В.Н., Козлов Д.В., Потапов С.Н., Климов Е.С. Получение композитного материала из алюминия с углеродными нанотрубками методами порошковой металлургии // Физико-математические методы и информационные технологии в естествознании, технике и гуманитарных науках: сборник материалов международного научного e-симпозиума. Киров: МЦНИП, 2015. C. 25–37.

Raviathul B.M., Srivastava V.C., Mukhopadhyay N.K. Microstructural characteristics and mechanical properties of carbon nanotube reinforced aluminum alloy composites produced by ball milling // Materials & Design. 2014. Vol. 64. P. 542–549.

Ci L., Ryu Z., Jin P.N.Y., Rühle M. Investigation of the interfacial reaction between multi-walled carbon nanotubes and aluminum // Acta Materialia. 2006. Vol. 54. № 20. P. 5367–5375.

Choi H., Shin J., Min B., Park J., Bae D. Reinforcing effects of carbon nanotubes in structural aluminum matrix nanocomposites // Journal of Materials Research. 2011. Vol. 24. № 8. P. 2610–2616.

Yang C., Zong Y., Zheng Z., Shan D. Experimental and theoretical investigation on the compressive behavior of aluminum borate whisker reinforced 2024Al composites // Materials Characterization. 2014. Vol. 96. P. 84–92.

Hassan M.T.Z., Esawi A.M.K., Metwalli S. Effect of carbon nanotube damage on the mechanical properties of aluminum-carbon nanotube composites // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 607. P. 215–222.

Yoo S.J., Han S.H., Kim W.J. Strength and strain hardening of aluminum matrix composites with randomly dispersed nanometer-length fragmented carbon nanotubes // Scripta Materialia. 2013. Vol. 68. № 9. P. 711–714.

Wang L., Choi H., Myoung J.M., Lee W. Mechanical alloying of multi-walled carbon nanotubes and aluminium powders for the preparation of carbon/metal composites // Carbon. 2009. Vol. 47. № 15. P. 3427–3433.

Zhu X., Zhao Y.G., Wu M., Wang H.Y., Jiang Q.C. Effect of Initial Aluminum Alloy Particle Size on the Damage of Carbon Nanotubes during Ball Milling // Materials. 2016. Vol. 9. № 3. P. 3–18.

Nayan N., Murty S.V.S.N., Sharma S.C., Kumar K.S., Sinha P.P. Calorimetric study on mechanically milled aluminum and multiwall carbon nanotube composites // Materials Characterization. 2011. Vol. 62. № 11. P. 1087–1093.

Kukovecz A., Kanyo T., Konya Z., Kiricsi I. Long-time low-impact ball milling of multi-wall carbon nanotubes // Carbon. 2005. Vol. 43. № 5. P. 994 – 1000.

Nam H.R., Kim Y.J., Yang S.S., Ahn J.H. Ball-Milling of Graphite and Multi-Wall Carbon Nanotubes // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2014. Vol. 14. № 12. P. 9103–9107.

Narayanan S.S., Manickavasaham G., Moorthy S. Experimental Investigation of Aluminium alloy with MWCNT Composite to increase the technical Properties by Stir Casting Method // IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering. 2015. Vol. 12. № 4 (II). P. 30–34.

Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Формирование фазового состава, структурных параметров и физико-механических свойств композиционных гранул в процессе механического легирования алюминия аллотропными формами углерода // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2017. № 12. С. 7–11.

Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Исследование процесса механического легирования алюминия наноразмерными аллотропными модификациями углерода // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2017. № 3. С. 24–34.

Лопатина Ю.А., Курганова Ю.А. Анализ измерения твердости композиционных материалов системы А1+SiC // III международная научная школа для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов»: сборник научных трудов. Екатеринбург: УрФУ, 2014. С. 76–80.

Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Экспериментальное исследование процесса механического легирования алюминия техническим углеродом // Теоретические и практические аспекты развития научной мысли в современном мире: сборник статей Международной научно-практической конференции. Ч. 2. Уфа: АЭТЕРНА, 2017. С. 18–21.

Гигиберия В.А., Aрьев И.A., Лебовка Н.И. Устойчивость суспензий многослойных углеродных нанотрубок в органических растворителях в присутствии Triton X-165 // Коллоидный журнал. 2012. Том 74. № 6. С. 696–701.

Опубликован
2018-09-28
Выпуск
Раздел
Технические науки