钛基体上碳纳米管的原位合成及其复合材料的制备与性能研究

摘要

钛基复合材料具有低密度、高比强度、良好耐蚀性以及高温性能等优点,成为最具潜力的新一代航空航天用结构材料之一。碳纳米管(CNTs)具有高比强度、高比模量以及优异的综合性能,被认为是金属基复合材料最理想的增强相。要使CNTs的优异性能在复合材料中得到充分发挥,关键要实现其在金属基体上的均匀分散,与基体形成良好的界面结合,并避免材料成形过程中CNTs与基体的反应。因此,探索CNTs/Ti复合材料新的制备方法,对于发展钛基复合材料在航空航天领域的应用具有重要的理论意义和实用价值。
　　本论文采用化学气相沉积法在钛基体表面原位合成均匀分散的 CNTs,研究了催化剂与碳源种类、合成温度、合成时间、碳源气体与载气比例对合成的CNTs结构、分布以及产率的影响,并探讨了CNTs的生长机理。结果表明:本实验中CNTs在钛基体上的生长是一种顶端生长模式;以1.5wt.％的Co作为催化剂,乙炔为碳源气体,在550℃的合成温度下生长30min,控制乙炔与氩气的体积比为1:30,可以在钛粉表面得到均匀分布的,管径均一、纯度高、结晶性好的CNTs,所得CNTs-Ti复合粉末为制备增强体分散均匀的块体复合材料奠定了良好基础。
　　采用粉末冶金法将原位合成的 CNTs-Ti复合粉末在真空下热压烧结制备了CNTs/Ti复合材料,研究了复合材料中CNTs含量以及热压温度对复合材料微观结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明:900℃热压温度下,复合材料的致密度可达96%以上,即采用真空热压成形工艺可在较低的温度下形成致密的组织结构。在本实验参数范围内,复合材料的硬度和压缩屈服强度随热压温度的升高而增加。CNTs的加入可以起到细化晶粒的作用,但过量的CNTs和在较高温度下热压会加速CNTs与钛的反应,在颗粒界面附近形成TiC相。增加CNTs含量(≤2.0wt.%)可获得较高的压缩屈服强度。CNTs的加入可以提高复合材料的耐磨性,其作用机理主要是通过细化晶粒和石墨层充当润滑剂的方式实现,磨损过程中出现了剥层磨损、磨粒磨损和氧化磨损的特征。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2碳纳米管

1.3钛基复合材料

1.4碳纳米管增强钛基复合材料

1.5本研究工作的意义与主要内容

第二章 实验材料、设备及方法

2.1实验材料

2.2复合材料制备工艺

2.3复合材料制备与表征用仪器设备

第三章 化学气相沉积法原位合成CNTs-Ti复合粉末

3.1引言

3.2原位合成CNTs-Ti复合粉末制备工艺研究

3.3钛基体上原位合成CNTs的生长机理和影响因素的探讨

3.4本章小结

第四章 真空热压制备CNTs/Ti复合材料及性能研究

4.1前言

4.2真空热压制备CNTs/Ti复合材料的工艺

4.3 CNTs/Ti复合材料的微观组织结构

4.4 CNTs/Ti复合材料的力学性能研究

4.5 CNTs/Ti复合材料的摩擦磨损性能研究

4.6 CNTs/Ti复合材料强化机制探讨

4.7本章小结

第五章 全文结论及创新点

5.1全文结论

5.2创新点

参考文献

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