一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬基復合材料技術領域，具體地，涉及一種通過電化學反應與氣相 色譜分析相結合，快速、定量地測定碳/鋁界面反應程度的方法。
【背景技術】
[0002] 汽車、電子、航空和軍事領域的快速發(fā)展，對輕質(zhì)、高強、多功能材料提出了更高的 應用需求。碳納米管、碳纖維、石墨烯、石墨鱗片及石墨顆粒、金剛石、碳化硅等各種碳質(zhì)材 料是理想的復合材料增強體，加入到純鋁及鋁合金基體中所形成的各種鋁-碳復合材料， 以其高比強度和高比模量，優(yōu)良的導熱、導電性能，在汽車、電子、航空、軍事領域具有廣泛 的應用前景。然而，無論是在鑄錠冶金，還是粉末冶金制備工藝中，碳質(zhì)增強體都易于與鋁 基體發(fā)生反應而生成Al 4C3。已有共識，應該盡量避免生成過量的Al4C3，其害有三：1)粗大 的Al 4C3將導致發(fā)生脆性失效；2)Al4C3水解將導致發(fā)生腐蝕失效；3)碳納米管、石墨烯等納 米碳材料甚至會被反應殆盡，導致其增強效益無法發(fā)揮。因此，揭示界面反應規(guī)律及其與宏 觀性能之間的內(nèi)在關系，進而有效調(diào)控碳/鋁界面反應程度是鋁-碳復合材料進一步發(fā)展 的關鍵。但是，在技術層面上，現(xiàn)有的XRD、Raman、SEM、TEM等界面表征方法都只能對碳/鋁 界面反應作定性判斷，而無法作準確的定量評估；此外，對于碳納米管、石墨烯、納米金剛石 等納米碳材料，由于納米尺寸的限制，更增加了對界面反應做出準確評估的難度。
[0003] 對現(xiàn)有的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的檢測方法主要通過測定殘余的碳含量，或者 Al4C 3的生成量來反映界面反應情況。文獻I "Observation of three-dimensional interfacial morphologies in SiCp/Al composites and its characterization^(SiCp/ Al復合材料三維界面形態(tài)的觀察與表征）（Journal of materials science letters，1996, 15 (17) : 1539-1542)先采用電化學方法將SiC顆粒從復合材料中萃取出來， 然后再通過XRD衍射峰的強度半定量地確定SiC顆粒中Al 4C3反應產(chǎn)物的相對比例。文獻 2^Aluminum/diamond composites:A preparative method to characterize reactivity and selectivity at the interface"（錯/金剛石復合材料：一種表征界面反應及其選 擇性的制樣方法）（Scripta Mater, 66 (2012) 789-792)先采用電化學方法在金剛石顆粒侵 蝕出反應界面，然后通過SEM直接觀察Al4C3反應產(chǎn)物的形態(tài)，定性判斷界面反應程度。文 獻 3 "A Novel Approach for Extracting and Characterizing Interfacial Reaction Products in Al-SiCp Composites"（一種Al-SiCp復合材料界面反應產(chǎn)物提取和表征的新 方法）（Metallurgical and Materials Transactions A，2007, 38 (7) :1666-1670)米用電 化學萃取的方法收集Al4C3反應產(chǎn)物，然后結合發(fā)射光譜儀和差熱分析儀等技術定性測定 界面反應程度。上述測試方法存在的主要問題在于：（1)只能對界面反應進行定性或半定 量評估，而無法進行定量評估；（2)當界面反應程度較小時，可能因無法直接觀測到Al 4C3反 應產(chǎn)物而作出誤判；（3)電解萃取過程中會導致Al4C 3反應產(chǎn)物部分溶解，從而因所觀測到 的Al4C3含量與實際存在偏差而導致誤判；(4)對碳納米管、石墨烯、納米金剛石等納米碳材 料，因觀測的尺度精度不足而更增加了誤判的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種鋁-碳復合材料界面 反應程度的定量檢測方法，該方法利用界面反應產(chǎn)物Al 4C3易于水解的性質(zhì)，首先藉助電化 學反應加速待測樣品溶解，然后通過氣相色譜分析對Al 4C3水解所生成的CH4氣體濃度進行 精確測定，最終計算得到界面反應程度。
[0005] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方 法，包括如下步驟：
[0006] (1)從待測樣品上切取質(zhì)量為m的薄片試樣作為犧牲陽極，采用鉑絲或石墨棒作 為陰極，將二者浸沒在電解液中，通過直流電解反應加速試樣溶解，并收集溶解反應所生成 的氣體；
[0007] (2)向所收集的氣體中注入體積為Vfcg的標定氣體，然后采用氣相色譜分析測定 上述混合氣體中標定氣體和CH4的濃度，分別記為P 和Pai4，則所生成的CH4體積為V CH4 = PqmX (V標定/P標定）；
[0008] (3)從待測樣品上另外切取一小塊，采用碳硫分析儀測定其中碳的質(zhì)量濃度，記為 C% ；
[0009] (4)根據(jù)以下公式計算可得界面反應程度Tl :
【主權項】
1. 一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 從待測樣品上切取質(zhì)量為m的薄片試樣作為犧牲陽極，采用鉑絲或石墨棒作為陰 極，將二者浸沒在電解液中，通過直流電解反應加速試樣溶解，并收集溶解反應所生成的氣 體； (2) 向所收集的氣體中注入體積為Vfcg的標定氣體，然后采用氣相色譜分析測定上 述混合氣體中標定氣體和CH4的濃度，分別記為P 和Pai4，則所生成的CH4體積為V O14 = PqmX (V標定/P標定）； (3) 從待測樣品上另外切取一小塊，采用碳硫分析儀測定其中碳的質(zhì)量濃度，記為 C% ； (4) 根據(jù)以下公式計算得界面反應程度η :
其中=Vqi4是所生成的CH4的體積，單位為升；m是薄片試樣的質(zhì)量，單位為克；C%是試 樣中碳的質(zhì)量濃度。
2. 根據(jù)權利要求1所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法，其特征在 于，所述的鋁-碳復合材料以純鋁及鋁合金為基體，其中含有一至多種碳質(zhì)增強體。
3. 根據(jù)權利要求2所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法，其特征在 于，所述碳質(zhì)增強體包括碳納米管、碳纖維、石墨烯、石墨鱗片及石墨顆粒、金剛石、碳化硅。
4. 根據(jù)權利要求1所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法，其特征在 于，步驟（1)中，所述的薄片試樣的厚度小于1〇_、質(zhì)量為0. 5-20g。
5. 根據(jù)權利要求4所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法，其特征在 于，所述薄片試樣的厚度小于3_、質(zhì)量為0. 5-3g。
6. 根據(jù)權利要求1任一項所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法，其 特征在于，步驟（1)中，所述的電解液為濃堿。
7. 根據(jù)權利要求6所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法，其特征在 于，所述的電解液選擇為1~4mol/L的氫氧化鈉溶液。
8. 根據(jù)權利要求1-7任一項所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法， 其特征在于，步驟（2)中，所述的標定氣體為C0、烷烴或烯烴中的一種。
9. 根據(jù)權利要求1-7任一項所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法， 其特征在于，所述方法將犧牲陽極與陰極同時置于電解液中，與直流電源連接；整個反應裝 置連接處均涂覆硅脂，保證裝置的氣密性；為避免裝置系統(tǒng)內(nèi)殘余氣體對檢測結果的干擾， 在電解反應開始前充分通入氮氣排凈裝置內(nèi)的空氣；在電解反應結束后充分通入氮氣沖 洗，使溶解反應的生成氣體都能被收集起來。
10. 根據(jù)權利要求1-7任一項所述一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法， 其特征在于，所述的電解反應的反應時間能通過電流調(diào)控。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鋁-碳復合材料界面反應程度的定量檢測方法，所述方法利用界面反應產(chǎn)物Al4C3易于水解的性質(zhì)，首先藉助電化學反應加速待測樣品溶解，然后通過氣相色譜分析對Al4C3水解所生成的CH4氣體濃度進行精確測定，最終計算得到界面反應程度。本方法不僅操作簡單，而且檢測分析速度快、精度高，適用于對碳納米管、碳纖維、石墨烯、石墨鱗片及石墨顆粒、金剛石、碳化硅等各種碳質(zhì)材料增強鋁基復合材料的界面反應程度進行快速定量檢測。
【IPC分類】G01N13-00
【公開號】CN104677783
【申請?zhí)枴緾N201510076183
【發(fā)明人】李志強, 鄢來朋, 譚占秋, 范根蓮, 張荻
【申請人】上海交通大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月12日