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《浙江大学》 2009年
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碳纳米管增强铝基复合材料的无压渗透法制备及性能研究

周胜名  
【摘要】: 关于碳纳米管/铝基复合材料的研究虽然取得了一定进展,但是一些最基本的问题目前并没有真正得到解决,主要是:(1)碳纳米管在铝基复合材料合成过程中的化学稳定性问题;(2)碳纳米管在铝合金基体中的分散问题;(3)碳纳米管与铝合金基体的界面结合问题;(4)碳纳米管对铝合金基体的增强机理问题。关于碳纳米管与铝基体的化学反应,目前已有较多研究,但结论不尽一致。碳纳米管与铝基体的化学反应涉及碳管与铝基体的界面润湿和界面结合问题,这同时也与碳管在基体中的分散和碳管的增强机制密切相关。 本文利用真空炉将经过球磨混合的碳纳米管、铝粉和镁粉在700~850℃煅烧,研究碳纳米管与铝的化学反应,分析了反应条件对产物的影响。结果表明,金属镁的存在使得高温下铝粉表面的氧化膜被去除,从而使铝与碳纳米管发生化学反应并通过反应浸润机制实现铝液在碳纳米管表面的铺展和包覆。铝液与碳纳米管的化学反应实际上是铝与碳管表面缺陷和无定形碳的反应,这种反应受到碳管表面纳米尺度的缺陷和无定形碳的制约,因此生成的碳化物数量有限,大小也呈纳米尺度。在850℃下反应时间显著延长时,碳化物的生成量并没有明显增加。碳化物与碳纳米管表面紧密接触,可促进碳纳米管与铝基体的界面结合。 本课题组在研究碳纳米管增强铜基复合材料的基础上,采用无压渗透技术制备了碳纳米管/铝基复合材料。铝液与碳纳米管之间的浸润受铝液与碳管表面缺陷和无定形碳化学反应的控制。随着二者之间反应的进行,碳管与铝液之间的接触角逐渐下降,当接触角达到稳态时,铝液与碳管实现润湿,渗透过程才真正开始。因此无压渗透过程需要一个孕育期。孕育期的长短与温度和预制件的结构有关。在800℃下退火24小时并没有对碳纳米管的石墨结构造成严重破坏,碳管的主体结构依然完整,因此碳纳米管可以承受无压渗透工艺对其结构的影响,采用无压渗透工艺制备碳纳米管增强的铝基复合材料是可行的。铝液与碳纳米管之间的反应浸润也是实现碳纳米管均匀分散的关键。正是由于铝液对碳管的浸润,铝液可以铺展到碳管表面,挤入团聚在一起的碳管之间。铝液对碳纳米管的润湿和包覆可以消除导致碳管团聚的范德华力,使碳管弥散、均匀地植入到铝基体中,避免碳管分布在铝晶粒边界,阻止铝基体亚晶粒的长大。复合材料中碳纳米管含量较高时,碳管并没有发生明显的团聚,证明无压渗透工艺可以实现碳管在铝基体中的有效分散。 对碳纳米管增强铝基复合材料的热失配问题进行了初步研究。结果表明,碳纳米管的体积份数和降温速率对热失配应力的释放具有重要影响。在碳纳米管含量较高或降温速率较大时,热失配应力在降温过程中无法通过位错增殖机制得到及时释放,碳纳米管增强的铝基复合材料中就往往会产生微裂纹。碳纳米管可以通过拔出和桥连机制迫使裂纹的扩展被延缓并改变其传播方向。 复合材料中少量的显微裂纹导致其抗拉强度较低,而碳纳米管的弥散分布则使复合材料的硬度和弹性模量较基体合金显著增加。复合材料的摩擦磨损试验表明,将碳纳米管添加到铝合金中时,由于碳纳米管弥散分布在基体中,碳管的自润滑机制和碳管对基体的增强作用可以明显改善复合材料的减摩耐磨性能。对复合材料磨损表面的观察证明了显微裂纹对磨损过程的影响,碳纳米管含量增加导致复合材料中微裂纹的数量增加,使得剥层磨损成为主要的磨损机制。 对碳纳米管增强铝基复合材料的导热性能进行了初步研究,结果表明碳纳米管的加入使得复合材料的热导率明显降低,随着碳管含量增加,复合材料的热导率降低更加明显。碳纳米管在铝合金基体中无规排列,使得界面热阻增加,同时碳纳米管的加入使基体亚晶粒细化,提高了亚晶粒的界面热阻。由于碳纳米管与铝合金基体之间的热失配应力而产生的少量显微裂纹也是导致复合材料热导率降低的原因。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB383.1

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