均匀分散的碳纳米管增强铝基复合材料的制备与性能

摘要

碳纳米管（CNTs）具有优异的力学、物理性能以及低的密度而被认为是金属基复合材料（MMCs）理想的增强相，然而CNTs易于团聚的特性阻碍了高性能CNTs增强MMCs的制备和发展。针对这一问题，本文提出首先采用化学气相沉积法（CVD）原位合成CNTs均匀分散在铝粉表面的CNTs/Al复合粉末，进而将复合粉末机械球磨后粉末冶金成型（原位合成-短时球磨-粉末冶金法）制备复合材料的新思路；对整个制备过程的各个影响参数进行了系统的研究，并对复合材料的组织、性能、界面结合和强化机制进行了探讨。
　　首先采用浸渍法制备了催化剂前躯体，经直接还原后在铝粉基体上沉积了Ni、Co、Cu三种纳米催化剂颗粒，然后采用CVD法合成了CNTs/Al复合粉末；系统研究了铝基体上CVD法原位合成CNTs的多种影响因素（包括催化剂种类与含量、合成温度、反应气氛和时间）。结果表明：采用Ni、Co、Cu三种催化剂均可以在铝基体上合成多壁CNTs，但Cu催化合成CNTs的石墨晶化程度较低；以0.5wt.％的Ni或Co作为催化剂，在600℃的合成温度下，分别选择CH4或C2H2作为碳源，可以在铝粉表面合成均匀分散的，高纯度、管径均匀、石墨化程度良好的CNTs，所得CNTs/Al粉末适合进一步制备复合材料。
　　对原位合成的CNTs/Al粉末直接粉末冶金成型（原位合成-粉末冶金法）制备了CNTs/Al复合材料，发现当CNTs含量为1.5wt.%时，复合材料的压缩性能最佳，其压缩屈服强度和弹性模量分别为纯铝的2.2倍和3倍；然而继续提高CNTs含量后，复合材料的压缩性能大幅下降，即采用该方法能够实现CNTs在铝粉基体上的均匀负载量在2.5wt.%以下，CNTs含量在此及以上的复合材料力学性能会恶化。此外，CNTs的加入降低了铝基体的耐蚀性，并且随CNTs含量增多，复合材料的耐蚀性变差。
　　针对“原位合成-粉末冶金”制备方法存在的问题，进一步采用“原位合成-短时球磨-粉末冶金”工艺制备了CNTs/Al复合材料，即对原位合成的粉末通过短时球磨形成CNTs均匀分散嵌入铝基体内部的复合结构，以此来进一步提高CNTs在铝基体内的最大均匀分散量，着重研究了球磨参数（包括过程控制剂、球磨转速和时间）对CNTs的结构、分散和复合材料性能的影响。结果表明：对于2.5wt.%-CNTs/Al复合材料，在优化后的球磨转速500rpm，不添加过程控制剂的条件下，随球磨时间的增加（≤120min），所制备的复合材料组织更加致密，硬度和抗拉强度均不断提高，确定了90min为最佳的球磨时间，所得复合材料硬度和抗拉强度分别为纯铝的2.4倍和2.7倍，为经过相同球磨时间铝的1.6倍和1.5倍，且延伸率在15%以上，表现出强韧兼备的特点；随着CNTs含量的增加（≤4.5wt.%），复合材料的硬度和抗拉强度不断上升，均在CNTs含量为4.5wt.%时达到最高，此时硬度和抗拉强度为HV131.2和420MPa，分别为纯铝的3.3倍和3.4倍；CNTs的加入可以有效的降低铝基体的热膨胀系数（CTE），随CNTs含量的增多，复合材料的CTE不断下降。
　　对于采用“原位合成-短时球磨-粉末冶金”制备的CNTs/Al复合材料，研究了球磨过程和烧结温度两个关键因素对CNTs结构演变和CNT-Al界面的影响，并在此基础上探讨了CNTs/Al复合材料的强化机制。结果表明：短时球磨过程对CNTs的结构损伤较小，嵌入铝基体内部的CNTs保持了良好的结构；复合材料的抗拉强度和延伸率均在630℃的烧结温度下达到极大值，而继续提高烧结温度后，复合材料的拉伸性能变差；630℃烧结条件下得到CNTs/Al复合材料中CNT-Al的界面反应存在三种形式，即无明显界面反应、生成CNT@Al4C3结构、完全转变成为Al4C3相，此时少量出现的纳米级Al4C3提高了界面结合强度，利于复合材料性能的提高。复合材料强度的显著提升源于载荷在基体和增强相间的有效传递，CNTs作为载荷的主要承担者起直接强化作用，以及CNTs加入铝基体中引起的位错强化、细晶强化作用，还有以上几种强化机制的协同强化作用。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2碳纳米管

1.3铝基复合材料

1.4碳纳米管增强铝基复合材料

1.5本文研究目的和研究内容

第二章 材料、设备与实验方法

2.1实验材料

2.2 CNTs/Al复合材料的制备方法

2.3实验仪器与设备

2.4材料性能测试方法

第三章 铝粉基体上原位合成碳纳米相的研究

3.1引言

3.2 Ni/Al催化剂制备CNTs/Al复合粉末

3.3 Co/Al催化剂制备CNTs/Al复合粉末

3.4 Cu/Al催化剂制备CNTs/Al复合粉末

3.5铝基体上原位合成CNTs的影响因素探讨

3.6本章小节

第四章 CNTs/Al复合材料的制备与性能

4.1引言

4.2 原位合成－粉末冶金法制备CNTs/Al复合材料

4.3原位合成－短时球磨－粉末冶金法制备CNTs/Al复合材料

4.4本章小节

第五章 CNTs/Al复合材料的界面研究及增强机制

5.1引言

5.2 CNTs的结构演变及对界面影响

5.3 CNTs/Al复合材料的强化机理

5.4本章小节

第六章 主要结论和创新点

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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