碳纳米管增强铝基复合材料制备与性能研究

摘要

自从1991年碳纳米管(CNT)发现以来，由于CNT具有优异的机械性能已经吸引了一大批研究者的关注。因为CN工具有非常高的强度和杨氏模量，成为复合材料中一种非常有用的增强材料。碳纳米管增强铝基复合材料由于其高强轻质的特点有望在今后航空航天和汽车领域中得到广泛应用。
　　本文尝试用干法和湿法两种混合粉末的工艺制备CNTs/Al复合粉体，然后经过后续的冷压、烧结、热压和热挤工艺，制备碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料。测试复合材料的抗拉强度(UTS)和硬度(HB)，通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料断口组织，分析了两种制备工艺对复合材料力学性能的影响，并从微观分析了复合材料的增强方式和断裂机理。
　　经过干法与湿法混合CNT含量为1%的复合粉末，冷压成型，并在600℃烧结6h，随后经过500℃热压和550℃热挤制备得到的复合材料。干法和湿法制备的复合材料抗拉强度分别为241 MPa和206 MPa。通过SEM观察其断口发现利用干法混粉工艺制备的复合材料断口组织致密，基体结合强度好，韧窝分布均匀，在基体中可见单根的CNT存在。而后者基体结合强度不高，断口观察发现在拉伸过程中有从基体撕裂的现象，组织不致密，存在大量的孔洞。故确定干法混粉工艺这条路线为最佳的制备方案。利用干法混粉工艺制备CNTs/Al复合材料，经过一系列对比试验发现：
　　1.在600℃烧结6h制备得到的样品具有最高的抗拉强度和硬度。
　　2.CNT管径对复合材料力学性能有较大影响，管径为50nm的CNT制备的复合材料具有最高力学性能。
　　3.铝粉粒径对复合材料力学性能有较大影响，10-20μm粒径的铝粉末制备的复合材料具有最高力学性能。
　　4.在CNT含量为2%时的样品具有最高的抗拉强度和硬度。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 碳纳米管的基本性质

1.1.2 碳纳米管复合材料的发展现状和趋势

1.2 碳纳米管增强金属基复合材料

1.2.1 碳纳米管增强铝基复合材料

1.2.2 碳纳米管增强铜基复合材料

1.2.3 碳纳米管增强镍基复合材料

1.2.4 碳纳米管增强镁基复合材料

1.2.5 碳纳米管增强其他金属或者合金复合材料

1.3 碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法

1.3.1 粉末冶金工艺

1.3.2 熔融和固化工艺

1.3.3 喷涂工艺

1.3.4 其他新颖的工艺

1.4 碳纳米管增强铝基复合材料的影响因素

1.5 本文的研究思路及创新点

第二章 实验材料及其实验方法

2.1 实验原料及设备

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备

2.2 实验方案

2.2.1 碳纳米管增强铝基复合材料湿法混合工艺路线

2.2.2 碳纳米管增强铝基复合材料干法混合工艺路线

第三章 碳纳米管增强铝基复合材料湿法成型组织及性能

3.1 复合材料的湿法成型工艺

3.1.1 CNT分散液的制备

3.1.2 CNT/Al复合粉体的制备

3.1.3 CNT/Al复合材料的制备

3.2 碳纳米管在溶液中的分散性

3.2.1 球磨工艺对碳纳米管分散性的影响

3.2.2 分散剂对碳纳米管分散性的影响

3.3 复合材料的微观组织和性能

第四章 碳纳米管增强铝基复合材料干法成型组织及性能

4.1 复合材料的干法成型工艺

4.1.1 CNT/Al复合粉体的制备

4.2 复合材料的力学性能

4.2.1 烧结温度和成型工艺对复合材料力学性能的影响

4.2.2 烧结时间对复合材料力学性能的影响

4.2.3 CNT含量对复合材料力学性能的影响

4.2.4 CNT尺径对复合材料力学性能的影响

4.2.5 基体粉末粒径对复合材料力学性能的影响

4.3 复合材料的微观组织分析

4.3.1 球磨工艺对复合粉体形貌的影响

4.3.2 复合材料的断口形貌

4.3.3 复合材料断口的拉曼光谱和XRD图谱分析

4.4 复合材料的增强机理

第五章 全文总结

5.1 结论

5.2 对未来工作的建议

参考文献

硕士期间发表的论文和申请专利情况