碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及組織性能研究.pdf

1、本文以多壁碳納米管為增強(qiáng)體，利用粉末冶金方法制備了體積分?jǐn)?shù)為0～4.2％的碳納米管增強(qiáng)2024鋁基復(fù)合材料。對(duì)制備過(guò)程中所涉及的碳納米管的純化、碳納米管與合金粉末的均勻混合、碳納米管在鋁基體中的熱穩(wěn)定性、復(fù)合材料的致密化進(jìn)行了系統(tǒng)地研究與分析，運(yùn)用掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜和高分辯電鏡以及萬(wàn)能電子拉伸機(jī)、熱分析儀、維氏硬度等分析測(cè)試手段，評(píng)價(jià)了復(fù)合材料的制備工藝，觀察分析復(fù)合材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，測(cè)試了復(fù)合材料的室溫

2、力學(xué)性能，并對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)影響材料宏觀力學(xué)性能的機(jī)制進(jìn)行了初步探討。
　　對(duì)碳納米管不同時(shí)間下硝酸回流的研究表明，隨著回流時(shí)間的增加，碳納米管的長(zhǎng)徑比減少；碳納米管中sp2與sp3雜化態(tài)碳的原子比下降，表面缺陷減少，且表面引入的含氧官能團(tuán)的含量增加。硝酸回流后的碳納米管的分散效果要比未回流的好，且回流時(shí)間越長(zhǎng)，分散效果越好。當(dāng)碳納米管的含量小于2.1vol.%時(shí)，通過(guò)超聲加機(jī)械攪拌能將碳納米管均勻的分散在合金粉末的表面，而當(dāng)碳納米

3、管的含量達(dá)到4.2vol.%時(shí)，碳納米管在合金粉末表面形成團(tuán)聚。結(jié)合合金粉末和碳納米管的表面結(jié)構(gòu),分析了碳納米管的純化與分散以及碳納米管與合金粉末均勻混合的機(jī)理。
　　對(duì)碳納米管在合金粉末中熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明當(dāng)溫度超過(guò)合金粉末的熔點(diǎn)時(shí)，碳納米管在鋁中是不穩(wěn)定的，部分碳納米管容易與鋁發(fā)生反應(yīng)生成具有針狀的納米Al4C3相；碳納米管與鋁反應(yīng)的活化能為194.01kJ/mol，比石墨與鋁的高；反應(yīng)生成的Al4C3相與鋁基體之間界

4、面為直接結(jié)合，界面結(jié)合緊密，且Al4C3相和鋁基體發(fā)現(xiàn)有(200)Al//(00012)Al4C3的位向關(guān)系。利用高HRTEM和XPS分析，討論碳納米管與鋁反應(yīng)的機(jī)理。
　　擠壓后的復(fù)合材料中鋁晶粒的尺寸顯著小于基體材料中鋁晶粒的，碳納米管能夠有效地抑制鋁晶粒的粗化，細(xì)化鋁晶粒尺寸。此外，碳納米管在復(fù)合材料中是穩(wěn)定的，主要分布在復(fù)合材料中鋁晶粒的內(nèi)部和晶界處，部分碳納米管周圍存在位錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象。碳納米管和鋁基體之間的界面為直接原子結(jié)

5、合，界面光滑、平直，不存在中間相，兩者為完全共格界面。碳納米管與鋁基體之間發(fā)現(xiàn)有(200)Al//(1011)CNTs的位向關(guān)系。
　　碳納米管的含量顯著影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，隨著碳納米管含量的增加，復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和屈服強(qiáng)度先升高然后下降，當(dāng)碳納米管的含量為2.1vol.%時(shí)，復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為136.2kg/mm2、521.7MPa、92.2GPa和497.7MP