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碳纳米管增强铝基复合材料的制备及组织性能研究

邓春锋  
【摘要】: 本文以多壁碳纳米管为增强体,利用粉末冶金方法制备了体积分数为0~4.2%的碳纳米管增强2024铝基复合材料。对制备过程中所涉及的碳纳米管的纯化、碳纳米管与合金粉末的均匀混合、碳纳米管在铝基体中的热稳定性、复合材料的致密化进行了系统地研究与分析,运用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱和高分辩电镜以及万能电子拉伸机、热分析仪、维氏硬度等分析测试手段,评价了复合材料的制备工艺,观察分析复合材料的显微组织结构,测试了复合材料的室温力学性能,并对微观组织结构影响材料宏观力学性能的机制进行了初步探讨。 对碳纳米管不同时间下硝酸回流的研究表明,随着回流时间的增加,碳纳米管的长径比减少;碳纳米管中sp2与sp3杂化态碳的原子比下降,表面缺陷减少,且表面引入的含氧官能团的含量增加。硝酸回流后的碳纳米管的分散效果要比未回流的好,且回流时间越长,分散效果越好。当碳纳米管的含量小于2.1vol.%时,通过超声加机械搅拌能将碳纳米管均匀的分散在合金粉末的表面,而当碳纳米管的含量达到4.2vol.%时,碳纳米管在合金粉末表面形成团聚。结合合金粉末和碳纳米管的表面结构,分析了碳纳米管的纯化与分散以及碳纳米管与合金粉末均匀混合的机理。 对碳纳米管在合金粉末中热稳定性进行研究,结果表明当温度超过合金粉末的熔点时,碳纳米管在铝中是不稳定的,部分碳纳米管容易与铝发生反应生成具有针状的纳米Al4C3相;碳纳米管与铝反应的活化能为194.01 kJ/mol,比石墨与铝的高;反应生成的Al4C3相与铝基体之间界面为直接结合,界面结合紧密,且Al4C3相和铝基体发现有(200) Al //(00012)Al C的位向关系。利用高HRTEM和XPS分析,讨论碳纳米管与铝反应的机理。 挤压后的复合材料中铝晶粒的尺寸显著小于基体材料中铝晶粒的,碳纳米管能够有效地抑制铝晶粒的粗化,细化铝晶粒尺寸。此外,碳纳米管在复合材料中是稳定的,主要分布在复合材料中铝晶粒的内部和晶界处,部分碳纳米管周围存在位错缠结现象。碳纳米管和铝基体之间的界面为直接原子结合,界面光滑、平直,不存在中间相,两者为完全共格界面。碳纳米管与铝基体之间发现有的位向关系。 碳纳米管的含量显著影响复合材料的力学性能,随着碳纳米管含量的增加,复合材料的硬度、抗拉强度、弹性模量和屈服强度先升高然后下降,当碳纳米管的含量为2.1vol.%时,复合材料的硬度、抗拉强度、弹性模量和屈服强度达到最大值,分别为136.2kg/mm2、521.7MPa、92.2GPa和497.7MPa。与相同条件下制备的2024Al基体材料相比,分别提高了33.0%、34.6%、20.8%和39.7%。当碳纳米管含量较少时,复合材料的断裂主要是碳纳米管的拔出或拔断,且拔出长度很短,同时伴有碳纳米管的桥联发生,随着碳纳米管含量的增加,拔出或拔断的数量也增加。而当碳纳米含量较多时,复合材料的断裂主要以碳纳米管的脱粘和拔出为主,拔出长度很长。结合复合材料的微观组织结构和力学性能,讨论碳纳米管增强铝基复合材料的强化基理。(200) Al //(101?1)CNTs


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