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碳纳米管/Al基非晶复合材料的制备及性能研究

何斌燕  
【摘要】:对于玻璃形成能力较弱的合金(例如Al合金)而言,粉末冶金技术是获得三维大尺寸非晶合金样品的最佳途径。本文采用间歇式高能球磨制备获取了完全非晶态Al64Ni16Ce20合金粉末,随后采用放电等离子烧结法制备了碳纳米管/Al基非晶复合材料,探索了碳纳米管的添加对非晶合金的致密性、显微组织结构、力学性能以及物理性能的影响规律。 研究了碳纳米管的分散工艺及原理。在超声波能量的辅助下,化学分散剂聚苯乙烯磺酸钠(PSS)中苯环上的大π键与碳纳米管管壁上的π键相互作用,在亲水基团磺酸基的作用下,有效地将碳纳米管均匀弥散地分散在水溶液中。采用冷冻干燥法将碳纳米管和非晶态合金粉末混合,避免了碳纳米管和非晶态合金粉末的分层现象,可以得到碳纳米管均匀分散在合金颗粒表面的混合粉末。在不同烧结温度下,对不同含量的碳纳米管以及球磨态非晶合金粉末进行放电等离子烧结,研究了烧结温度和碳纳米管含量对烧结样品的致密度显微组织的影响。在相同的工艺参数条件下,烧结样品的致密度随着碳纳米管含量的增加而下降;未添加及添加碳纳米管的烧结态非晶复合材料的基本形貌特征均为非晶区和Al_3Ni纳米晶区,还有少量的大块fcc-Al晶化区;在添加碳纳米管的烧结态非晶复合材料中,碳纳米管仍保持其管状形貌,且发现在管壁上存在胞状突起,初步判定为Ni原子在碳纳米管管壁上的镀层。 考察了烧结试样的硬度以及压缩性能等力学特性,发现在563K温度下烧结时,未添加碳纳米管及其含3%碳纳米管的烧结态非晶复合材料的硬度随均载荷的降低而快速上升,分别从500g时的432Hv、401Hv上升到25g时的500Hv和521Hv;在复合材料中,碳纳米管的桥联作用和颗粒之间的界面结合强度是决定其压缩性能的两个关键因素。同时还考察了碳纳米管的添加对烧结态非晶复合材料摩擦磨损机制及超声吸波性能的影响。未添加及添加3%碳纳米管的烧结态非晶合金复合材料的磨损机制均为疲劳磨损和磨粒磨损,碳纳米管的加入使得在磨损的过程中,在磨损表面形成一层起保护和润滑作用的碳纳米管氧化膜,降低了非晶复合材料在稳定磨损阶段的摩擦系数;研究还表明,添加碳纳米管后的非晶复合材料具有强烈的超声吸波性能,其横波声衰减系数和纵波衰减系数分别比未添加碳纳米管的烧结态非晶复合材料的横波衰减系数和纵波衰减系数增加了14.89%和19.35%。


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