MWCNT/SiC/椰壳灰协同增强铝基复合材料的摩擦力学性能及环境友好型设计

本研究针对传统铝基复合材料成本高、环境负担重的问题，创新性地采用双阶段搅拌铸造法开发了含0.3 wt%多壁碳纳米管(MWCNT)、0.3 wt%碳化硅(SiC)和1-8 wt%椰壳灰(CSA)的Al1050基复合材料。结果表明，6 wt% CSA的复合材料(AH6)展现出最优性能：拉伸强度提升45.6%至143 MPa，摩擦系数降低35%至0.22，磨损量减少64.7%，实现了低成本、环保与高性能的协同。

　　

随着航空航天和汽车工业对轻量化材料需求的激增，传统铝基复合材料面临两大困境：昂贵的陶瓷增强体（如SiC）推高制造成本，而合成碳纳米管(CNT)的大规模应用又受限于环境负担。这促使研究者将目光转向农业废弃物——椰壳燃烧产生的灰分(CSA)富含SiO₂(45.1 wt%)和Al₂O₃(15.5 wt%)，兼具增强潜力与生态友好特性。

针对这一挑战，CV Raman全球大学（印度布巴内斯瓦尔）机械工程系的Smruti Rekha Swain团队在《Next Materials》发表研究，通过双阶段搅拌铸造技术，将微量MWCNT(0.3 wt%)、SiC(0.3 wt%)与梯度含量CSA(1-8 wt%)复合，系统评估了这种"纳米-微米-生物质"三元协同增强体系的性能突破。

研究采用四大关键技术：1) 通过X射线荧光光谱(XRF)定量CSA的氧化物组成；2) 优化双阶段搅拌工艺（首阶段500 rpm熔体涡流分散纳米材料，次阶段引入CSA）；3) 基于阿基米德原理测定孔隙率；4) 采用pin-on-disc摩擦试验机评估载荷(10-30N)下的磨损行为。

微观结构表征

SEM显示6 wt% CSA(AH6)样品呈现最优分散，平均粒子间距仅1.7 μm，而8 wt%组出现明显团聚。XRD证实MWCNT的(002)晶面峰(26°)和SiC的β相特征峰(35.6°、41.4°)完好保留，CSA的SiO₂非晶相未引发有害反应。

力学性能突破

AH6展现出全面性能提升：

• 拉伸强度达143 MPa，比基准组(AH0)提升45.6%，归因于CSA中MgO(16.3 wt%)强化晶界

• 压缩强度670 MPa，增幅31.3%，对应孔隙率最低值3.2%

• 维氏硬度38.6 HV，提高22.5%，SiO₂颗粒有效阻碍位错运动

摩擦学机制革新

在20N载荷下：

• 磨损量从AH0的0.0158g降至AH6的0.0062g

• 摩擦系数由0.34降至0.22，归功于Fe₂O₃(12.4 wt%)的固体润滑效应

• SEM磨损形貌显示：纯铝组(AH0)呈严重粘着磨损特征，而AH6转变为轻微磨粒磨损

结论与展望

该研究证实6 wt% CSA与微量MWCNT/SiC的协同组合，既能降低32%的传统陶瓷用量，又通过生物质废弃物实现性能突破。特别值得注意的是：

1. CSA中多种金属氧化物形成"天然复合增强相"，SiO₂提升硬度同时，Fe₂O₃降低摩擦；

2. 双阶段搅拌工艺克服了纳米材料分散难题，为大规模生产提供可能；

3. 该材料体系完美呼应联合国可持续发展目标(SDG12/13)，每吨复合材料可消纳60kg椰壳废弃物。

未来研究可深入探索CSA中K₂O(0.51 wt%)等微量组分对高温性能的影响，以及MWCNT在CSA界面处的桥接作用机制。这项工作为开发"碳中和"高性能金属复合材料提供了新范式。