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碳纳米管增强铝基复合材料组织及性能的研究

赵霞  
【摘要】: 碳纳米管增强铝基复合材料具有密度低、抗氧化和耐磨损等优良特性。目前制备的方法有:搅拌铸造法、热压烧结法、粉末冶金法等,但各有其局限性,因此需要一种新的方法来更有效的制备复合材料。搅拌摩擦加工法(FSP)是在搅拌摩擦焊(FSW)基础上发展起来的一种材料改性以及复合材料制备的工艺,具有制造工艺及设备简单、成本相对较低等特点。本文采用搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强纯铝基复合材料,对复合材料的组织和性能进行了探讨,并对旋转摩擦挤压法制备复合材料进行了初步的研究。结果表明: 当只用一种搅拌棒制备复合材料,碳纳米管体积百分比为1.6%时,容易获得成形好且均匀的复合区域,当碳纳米管含量较高时,搅拌摩擦区边界及轴肩变形区易发生碳纳米管的偏聚,很难达到宏观的均匀分布。先用小直径搅拌棒再用大直径搅拌棒制备复合材料时,容易制得成形良好的复合区域,并可使搅拌摩擦区边界的偏聚现象有所改善。搅拌摩擦区边界晶粒发生了明显的塑性变形,被扭曲拉长;轴肩变形区晶粒尺寸和搅拌摩擦中心区相似,晶粒均较细小。TEM观察结果表明,碳纳米管在搅拌摩擦中心区分布均匀,嵌入到铝基体中,并与基体之间结合良好。 复合材料的硬度、拉伸强度及耐磨性随碳纳米管含量的增加而提高。当只用一种搅拌棒制备复合材料、碳纳米管的体积百分比为7%时,搅拌摩擦区的平均显微硬度为60.8HV,拉伸强度可达到201.45 MPa;碳纳米管的体积百分比为5.5%时,复合材料的耐磨性有显著提高。先用小直径搅拌棒再用大直径搅拌棒制备复合材料、碳纳米管的体积百分比为5%时,搅拌摩擦区的平均显微硬度为53.8HV,拉伸强度可达到171.06 MPa,耐磨性有显著提高。基材和复合材料的主要磨损机制是磨粒磨损。 碳纳米管体积百分比为1.3%-5%时,与基材相比,材料拉伸强度有一定提高,但塑性有所降低;碳纳米管体积百分比为5.5%-7%时,“缩颈”现象消失,塑性较差,脆性增加,复合材料在宏观上呈脆性断裂特征,微观上呈韧性断裂特征。 用旋转摩擦挤压设备制备碳纳米管增强铝基复合材料的初步研究表明,旋转摩擦挤压法能制备出块状的复合材料,且成形较好,没有碳纳米管偏聚及缺陷,硬度分布较均匀。


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