碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)具有很好的力学性能，将其加入金属基体中，会提高金属的强度、硬度及磨损性能等，这些性能的优化与制备方法、CNTs在复合材料中的含量等有关^[1-6]。有学者采用粉末冶金法制备了CNTs增强铝基复合材料，Ali等^[7]发现CNTs可提高复合材料的耐磨性，但是当CNTs体积分数达到5%时，复合材料的硬度和耐磨性出现下降，主要原因是CNTs在晶界处发生偏聚，且复合材料的磨损表面存在分层机制。姜金龙等^[8]发现当CNTs质量分数为2%时，复合材料硬度比纯铝基体提高了约80%，且复合材料磨损率较低。Choi等^[9]发现当CNTs体积分数为4.5％时，复合材料的屈服强度达到600MPa，摩擦因数减小到0.1。赵霞等^[10]采用搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP)制备CNTs增强铝基复合材料，发现CNTs与基体结合良好，并对基材有明显强化作用。涂文斌等^[11]采用FSP制备多壁碳纳米管(Multi-walled Carbon Nanotubes，MWCNTs)增强铝基复合材料，结果表明MWCNTs与铝基体界面结合处分布有大量位错，当MWCNTs体积分数为6%时复合材料硬度为63.4HV，为纯铝基体硬度的1.9倍。FSP制备复合材料比粉末冶金等方法有较大的优势，但仍存在不足，例如只是在搅拌摩擦区形成复合材料，其余部分均为母材，材料利用率低，制备材料的成形难以控制。

旋转摩擦挤压(Rotational Friction Extrusion,RFE)法是本课题组根据FSP的原理，开发出来的一种材料固态加工技术，通过摩擦挤压产生的热和塑性变形来混合材料，可形成晶粒细小，组织均匀，力学性能较好的块体复合材料^[12]。该方法具有材料利用率高，加工制备工序简单，可制备出不同截面尺寸的块体复合材料的特点。

林毛古等^[13]采用RFE法制备MWCNTs增强铝基复合材料，结果表明其组织均匀、晶粒细小，且无明显缺陷。本工作采用RFE法制备多壁碳纳米管增强铝基(MWCNTs/Al)复合材料，对复合材料的显微组织、硬度和磨损性能进行分析研究。

1 实验材料与方法

实验采用的基材为5A06-H铝合金板材，尺寸为100mm×15mm×10mm，化学成分见表 1。增强相为深圳市纳米港有限公司制备的MWCNTs，长度为10～30μm，直径为20～30nm，纯度>95%。

图 1为用RFE法制备复合材料的原材料试样示意图。按照图中所示在基材表面沿中心线每隔6mm打直径为3mm、深度为9mm的盲孔。在试样中填充不同质量的MWCNTs，制备出体积分数为1%~5%的MWCNTs/Al复合材料。将添加碳纳米管的原材料试样，放置于自主研制的旋转摩擦挤压装置中进行RFE加工。图 2为RFE制备方法原理示意图，其制备过程为：将待加工的试样放入挤压模具盖上压板，在挤压块的挤压作用下试样与高速旋转的搅拌棒接触后，摩擦并产热，使受到摩擦挤压的金属温度升高而塑化，塑化的金属在搅拌棒和挤压块的共同作用下，从出料口挤出，形成棒状复合材料。实验中搅拌棒的旋转速率为315r/min，挤压头的挤压速率为0.28mm/s。

制备棒状MWCNTs/Al复合材料横截面的金相试样，用光学显微镜观察显微组织。在HVS-1000型显微硬度仪上沿试样周向和径向测试显微硬度，取其平均值。

在CFT-1型显微磨损试验机上，采用SiN对磨球以滑动方式在棒状复合材料的横截面上进行摩擦实验。对磨球直径为5mm。摩擦载荷为4.7N，摩擦半径为1.75mm，摩擦盘旋转速率为300r/min，摩擦时间为30min。采用失重法计算实验磨损量。用FEI QUANTA200型扫描电子显微镜观察复合材料的磨损表面，并进行能谱分析。

2 结果与分析 2.1 复合材料成形及组织

采用RFE方法制备出了直径为8mm，长度为210mm的棒状MWCNTs/Al复合材料。图 3为经RFE加工后基材和MWCNTs/Al棒状复合材料的表面形貌。由图 3可见，制备的复合材料表面较光滑、尺寸均匀、无缺陷。

图 4为复合材料横截面的显微组织。图 4(a)为未经过加工的H态基材的显微组织，图 4(b)，(c)分别为3%和5%MWCNTs/Al复合材料的显微组织。由图 4可见，经过RFE加工后复合材料的组织较H态基材均匀，晶粒更细小。图 4(c)较图 4(b)中晶粒更加细小，即CNTs增多，晶粒更加细小，但有团聚的MWCNTs，如箭头所指处。

这是因为一方面，在RFE加工过程中，由于摩擦生热和剧烈的塑性变形使材料发生动态再结晶，形成了细小的等轴晶；另一方面，MWCNTs的存在，可阻碍再结晶后的晶粒长大，但当MWCNTs体积分数较高时，在此加工条件下，需更大的驱动力才能混合均匀，因此出现了MWCNTs的团聚^[10]。

图 5为3%MWCNTs/Al复合材料SEM照片及EDS图像，在SEM照片中未发现MWCNTs的团聚。图 5(b)为图 5(a)中A区的C元素分布图，可见C元素分布均匀，也就是说，经过RFE加工后MWCNTs在铝合金基体中分布较均匀。

上述结果表明，RFE法可制备出具有一定形状尺寸的块体复合材料，其组织为细小等轴晶。加入的MWCNTs在基材中分布较均匀，当MWCNTs体积分数增加到5%时，出现MWCNTs的团聚。

2.2 复合材料的显微硬度

图 6为MWCNTs/Al复合材料的硬度与MWCNTs体积分数的关系。图中虚线为H态基材的硬度，其大小为88.0HV，经RFE加工后的RFE态基材硬度为91.9HV，比H态基材硬度增加了4.4%。由图 6可见，随着MWCNTs体积分数的增加，复合材料的硬度先增加后降低；当MWCNTs体积分数为4%时，硬度达到108.9HV，是RFE态基材的1.2倍。当MWCNTs体积分数达到5%时，复合材料硬度出现下降，但相较于经RFE态基材仍然增加了10.7%。

分析认为，无MWCNTs的基材，经过RFE加工后由于热作用和剧烈的塑性变形会形成细小的晶粒，并伴有一定的形变强化，使其硬度提高；对于MWCNTs/Al复合材料，除具有细晶强化外，MWCNTs分散在铝合金基体中，在外载作用下MWCNTs起到分担载荷的作用，从而使得材料硬度提高^[10]。此外，MWCNTs加入基材后，在材料内部形成大量的位错，位错的相互缠结作用使位错难以滑移面上运动，提高了材料的流变抗力，复合材料硬度提高^[11]。但当MWCNTs体积分数达到5%时，由于MWCNTs在复合材料中发生了团聚，不利于与基材形成良好的界面结合，无法充分发挥MWCNTs的强化作用^[5]，硬度开始下降。

2.3 复合材料的摩擦磨损性能

图 7为材料摩擦磨损试样表面的SEM照片。图 7(a)为RFE态基材的磨损表面，可以看出，磨损表面在摩擦过程中产生了一定的塑性变形，形成界面膜，界面膜上存在破裂后的凹坑，且分布少量的犁沟；图 7(b)，(c)为1%和3%MWCNTs/Al复合材料的磨损表面，可以看出，磨损表面均覆盖一层固体润滑膜，润滑膜表面较光滑且存在犁沟，同时也存在着少量凹坑，图 7(c)与图 7(b)相比磨损表面犁沟加深、数量增多，且凹坑减少。因此，由图 7可知，随着MWCNTs的加入及体积分数的增加，磨损表面变得光滑，犁沟的数量及深度随之增加，凹坑大小及数量则随之减小。

图 8为经过RFE加工后的基材及3%MWCNTs/Al复合材料摩擦磨损试样表面的EDS结果。可以看出，磨损表面中均发现有大量的O元素，这是因为摩擦磨损过程中材料发生了氧化；图 8(b)中存在C元素，说明磨损表面含有MWCNTs。

图 9为MWCNTs/Al复合材料的磨损率与MWCNTs体积分数的关系。图中虚线表示的是H态基材的磨损率，其大小为0.0249mg/m，RFE态基材的磨损率为0.0230mg/m，较H态基材磨损率减小了7.7%。当MWCNTs的体积分数小于3%时，随着MWCNTs体积分数的增加，复合材料的磨损率下降。当MWCNTs的体积分数大于3%后，随着MWCNTs体积分数增加，复合材料的磨损率逐渐趋于稳定，磨损率基本无变化。当MWCNTs体积分数为3%时，磨损率为0.0130mg/m，比RFE态基材磨损率降低了43%。

分析认为，MWCNTs的加入一方面使复合材料的硬度提高，增加了复合材料抵抗摩擦副犁削的作用，提高了材料的耐磨性；另一方面在与摩擦副的磨损过程中脱落的含有MWCNTs的磨屑会黏附在复合材料和摩擦副的接触表面，形成一层薄膜，起到润滑减磨作用，同时还减少了基体与摩擦副直接接触面积，使摩擦发生在摩擦副与薄膜之间，降低了复合材料的磨损率^[14]。当MWCNTs体积分数较少时，磨损表面脱落的磨屑中MWCNTs体积分数少，与摩擦副接触的表面形成的薄膜大部分是由基体磨屑组成，MWCNTs的固体润滑剂的作用较弱。随着复合材料中的MWCNTs体积分数的增加，复合材料的硬度逐渐增大，耐磨性提高；其次接触表面的MWCNTs体积分数也随之增加，即形成的薄膜中的MWCNTs体积分数增加，润滑作用增强，从而降低复合材料的磨损率。继续增加MWCNTs体积分数，当MWCNTs达到某个值时，固体润滑膜已经形成，复合材料的磨损率变化不大，对耐磨性的影响较小。可见MWCNTs在一定范围内可以有效提高材料复合材料的耐磨性能。

复合材料磨损性能的变化，与复合材料摩擦磨损机理有关。如图 7(a)所示，RFE态基材磨损表面出现了较多尺寸较大的凹坑，塑性变形，以及少量的犁沟，说明在本实验条件下，经加工后的基材的磨损机理以黏着磨损为主，并伴随轻微的磨粒磨损。

当复合材料中MWCNTs体积分数为3%时，磨损表面出现了平行的犁沟，以及少量尺寸较小的凹坑。在磨损表面的高倍SEM照片中，发现磨损表面有较多裂纹，并且在凹坑处有磨屑的堆积，如图 10所示。图 11为3%MWCNTs/Al复合材料磨损示意图。在摩擦过程中，首先润滑膜在摩擦副的交变压力的作用下产生裂纹，裂纹扩展连接后使固体润滑膜剥落形成磨屑，并在磨损表面形成凹坑；之后，一部分剥落的磨屑，开始堆积填充在磨损表面的凹坑处，重新开始形成固体润滑膜，润滑膜处于动态修复过程。因此，3%MWCNTs/Al复合材料的磨损机理为以剥层磨损和磨粒磨损为主，并伴随轻微的黏着磨损。

3 结论

(1) 用RFE方法可制备具有一定形状尺寸的块体MWCNTs/Al复合材料。复合材料的成形质量好，显微组织为经动态再结晶后的细小等轴晶，MWCNTs在铝合金基体中分布均匀。

(2) 经RFE制备的MWCNTs/Al复合材料硬度比基材高。随着MWCNTs体积分数增加，复合材料的硬度先增加后降低，当MWCNTs体积分数为4%时，硬度达到最高，为108.9HV，是基材经RFE加工后的1.2倍。

(3) MWCNTs在复合材料磨损过程中起润滑作用，有助于降低MWCNTs/Al复合材料的磨损量提高复合材料的耐磨性。随MWCNTs体积分数的增加，复合材料的磨损率降低，当MWCNTs体积分数大于3%后磨损率变化较小。由于MWCNTs体积分数的增加，磨损机制发生了变化，即由黏着磨损和轻微磨粒磨损转变为剥层磨损和磨粒磨损。