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CNTs /Al 复合材料搅拌摩擦加工质量的超声衰减评价 　　引言 　　碳纳米管增强铝基( CNTs /Al) 复合材料具有高强度、高弹性模量、低的热膨胀系数等优异的性能特点，且以显著的优势超越了传统颗粒增强铝基复合材料，逐渐在航空航天、汽车制备及尖端科技领域的轻量化结构复合材料等方面获得应用，并不断突破传统铝基复合材料的应用范围。 　　现在各国陆续开展CNTs /Al 复合材料的相关研究并取得了一定成就，但主要集中于对其制备方法的研究，对CNTs /Al 复合材料无损检测方面的研究还处于初步探索阶段。采用搅拌摩擦加工法制备的CNTs /Al 复合材料，由于制备工艺方法的不成熟、人为操作或环境因素等影响，使CNTs /Al 复合材料表面和内部不可避免的存在孔隙气泡、裂纹、团聚、界面结合差等缺陷，导致复合材料的质量下降，特别是碳纳米管的团聚问题，是目前制备者遇到的最大难题-9。由于碳纳米管( CNTs) 长径比大，比表面能高，且CNTs 间具有很强的范德华作用力，所以很容易发生团聚或缠绕现象，导致CNTs 在金属基体中难以均匀分散，极其严重的影响了其增强效果。不仅存在宏观CNTs 团聚缺陷，由于CNTs 大小只有纳米级到微米级，所以不可避免的会存在微观CNTs 团聚缺陷。目前主要通过金相显微法、扫描电镜、拉伸试验等有损检测方法来判断碳纳米管的团聚程度，这些方法不仅费时费力，且有很大的局限性，而无损检测方法可以快速全面无损伤的评价材料，所以随着CNTs /Al 复合材料的应用范围越来越广，对其进行无损评价是非常有必要的。 　　超声检测是无损检测中主要检测方法，具有灵敏度高、穿透性强、检测速度快等优点，被广泛用于各种铝基复合材料检测中。超声波在介质中传播时，受超声波本身传播特性和材料内部组织的影响，存在因波束扩散、晶粒散射、介质吸收等产生的超声波衰减-14。超声波衰减法就是通过测量超声检测中的重要参数-衰减系数或者通过测量试件的背面回波次数来对材料进行评价的。超声波在CNTs /Al 复合材料中传播时，由于碳纳米管团聚改变了介质的性质，超声波遇到声阻抗不同的界面从而引起散射衰减，位错衰减等，且碳纳米管本身为中空管，不同程度的碳纳米管团聚会形成大小不一的孔隙，孔隙也会造成超声波衰减，所以通过超声波衰减法对CNTs /Al 复合材料进行无损评价是可行有效的。 　　本研究通过测量团聚程度不一样的CNTs /Al复合材料的衰减系数，分别从宏观和微观2 个角度比较分析它们之间的不同，来建立CNTs 团聚程度与衰减系数的有机联系，从而实现对CNTs /Al 复合材料CNTs 团聚缺陷的表征。 　　1 试样制备与测试方法 　　1. 1 试样的制备 　　复合材料在搅拌棒的搅拌摩擦下，搅拌摩擦区的不同区域由于受到的摩擦力和热作用不同，所以碳纳米管的团聚情况也是不同的。 为搅拌摩擦次数为5 次的碳纳米管增强铝基复合材料的横截面宏观形貌图，如图所示搅拌摩擦区被分为4 个部分，A 区为母材，B 区为搅拌摩擦中心区，C 区为轴肩变形区，D 区为搅拌摩擦区边界。在图中可以看出，搅拌摩擦中心区碳纳米管与铝基混合均匀，无明显宏观团聚现象，这是因为搅拌摩擦中心区在经过5 次搅拌摩擦后，产生了较多的摩擦热，使塑化金属的流动性增强，从而使碳纳米管与铝基混合的更均匀。但是在搅拌摩擦区边界以及轴肩变形区碳纳米管与铝基混合非常不均匀，这是因为搅拌摩擦区边界与轴肩变形区超出了搅拌针的作用范围，使得碳纳米管停留在搅拌摩擦区边界。所以本研究会对复合材料板整体进行宏观团聚缺陷检测，但对于微观缺陷，主要检测混合比较均匀，没有明显宏观团聚缺陷的搅拌摩擦中心区。 　　本研究采用的CNTs /Al 复合材料试样由搅拌摩擦加工法制备而成，搅拌摩擦加工法是由搅拌摩擦焊技术演变而来的一种固态加工技术，由此方法制备的CNTs /Al 复合材料除了CNTs 团聚缺陷，基本不存在其他缺陷-17。试样是在搅拌摩擦加工参数全部相同的情况下，通过改变搅拌摩擦次数制备出了团聚程度不一样的CNTs /Al复合材料。复合材料制备时采取的工艺参数为:搅拌棒倾斜角2deg;，旋转速度950 r /min，试样移动速度30 mm/min，搅拌针长度8 mm、直径8 mm，碳纳米管体积百分比为2. 1%。据文献知，当搅拌棒的旋转速度为950 r /min，试样移动速度为30 mm/min 时，经搅拌摩擦3 次后得到的复合材料，存在比较严重的碳纳米管与铝基混材料合不均匀现象，而经过搅拌摩擦5 次的复合材料，成型良好，且已无明显宏观团聚现象，搅拌摩擦3 次和5 次以后，复合材料碳元素( 即CNTs) 分布如所示。因此本研究采用搅拌摩擦次数分别为3、4、5、