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碳纳米管/镁基复合材料的制备与物性研究

李维学  
【摘要】: 本文全面综述了国内外碳纳米管(CNTs)/镁基复合材料的研究进展,研究了镁基碳纳米管复合材料的制备、界面行为、储氢性能、力学性能、热性能、强化机理等问题。主要研究结果如下: 用阳极电弧等离子体法制备出准直的碳纳米管和包覆金属粒子的碳纳米管。用化学镀法对提纯后的碳纳米管外表面镀覆了镍层。镀层为Ni、Ni3P纳米晶,且致密、均匀。镀层中富含六角密排结构Ni,其晶格常数与镁相近。 采用机械合金化方法制备Mg-Ni、Mg-Ni-CNTs、Mg-Ni-CNTs-TiO2储氢材料。Mg-Ni二元储氢合金的最大吸氢量为5.419 wt%,但放氢温度高、吸放氢动力学性能差。Mg-Ni-CNTs复合材料较Mg-Ni合金在吸放氢量上有所提高,放氢温度明显下降,当CNTs含量为10wt%,在1min内吸氢量达到7.2wt%,在60-100s内放氢量达到6.2wt%。Mg-Ni-CNTs-Ti02复合材料与Mg-Ni-CNTs复合材料相比,吸放氢量没有显著地提高,但是由于Ti02的加入,使得纳米复合材料氢化生成焓明显降低,活化性能得到进一步提高,而且大大提高了材料的使用寿命,降低了实验成本。 用全液态搅拌铸造法成功制备了CNTs/Mg,CNTs/SiCp/Mg,CNTs/AZ91D, CNTs/SiCp/AZ91D四种镁基复合材料。随CNTs加入量的增加,复合材料的弹性模量和硬度增大,而抗拉强度和延伸率则先增后减。SiCp体积分数在0-3vol%的范围内,随SiCp加入量的增加,复合材料的弹性模量、硬度和抗拉强度增大,而延伸率则减小。对CNTs/Mg、CNTs/2vol%SiCp/Mg复合材料:当CNTs含量为1.1vol%时,复合材料的弹性模量、硬度和抗拉强度分别比基体材料提高了28.4%和51.8%、10.2%和19.5%、67%和80%;CNTs/Mg的延伸率比基体提高了60.6%,而CNTs/2vol%SiCp/Mg的延展率比基体略有降低。对CNTs/AZ91D、CNTs/3.0vol%SiCp/AZ91D复合材料:当CNTs含量为1.0v0l%时,复合材料的弹性模量、硬度、抗拉强度和延伸率分别比基体材料提高了23.8%和29.8%、7.8%和9.3%、39.4%和46.76%、34%和14.6%。但是对Mg和AZ91D为基体的复合材料,CNTs的加入量分别不能超过1.1vol%和1.0vol%,否则,复合材料的抗拉强度和延伸率会因CNTs难以分散而大幅下降,同时使硬度和弹性模量的增幅也逐渐减小。增强相CNTs和SiCp可明显细化晶粒组织。CNTs在断裂过程中,基体与增强体之间为界面脱开方式。CNTs/SiCp/Mg的断裂机制主要是脆性断裂,伴有少量的韧性断裂,其中脆性断裂中以穿晶脆性断裂为主、沿晶脆性断裂为辅。CNTs/SiCp/AZ91D复合材料的断裂机制为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂方式。镍镀CNTs和SiCp与Mg基体之间存在界面反应,分别生成界面相Mg2Ni和MgSi2,界面反应量较小。 CNTs/Mg和CNTs/SiCp/AZ91D复合材料的平均热膨胀系数约为各自基体热膨胀系数的1/2,SiCp/AZ91D和CNTs/AZ91D复合材料分别比基体减小了18%和36.5%。CNTs/AZ91D、SiCp/AZ91D和CNTs/SiCp/AZ91D复合材料的热传导系数均比基体AZ91D合金的热传导系数高。用有限元法模拟了CNTs/AZ91D复合材料板材在25-300℃温度范围内和不同压边力条件下的热拉深成形过程。对于厚度为1mm,直径为160mm的板材,在100℃以下其拉深性能很差;随着成形温度的升高,其拉深性能得到较大的改善,在250℃时,拉深性能最好,在热拉深时压边力的大小应选择为5-8kN。计算结果与实验结果吻合。 建立了CNTs/Mg复合材料的剪切滞后模型,分析了增强机理。利用四种强化机理公式,估算出了各种强化机理的屈服强度的大小。其中应力转移强化对镁基复合材料的强化最大,其次是位错强化、晶粒细化强化,影响最小的是残余热应力强化。在CNTs含量低于1.1vol%时,计算结果与实验结果比较吻合。分析了含有界面层的CNTs/Mg复合材料中的应力场、应力传递效率、碳纳米管的饱和应力和有效长度。界面层的存在以及其厚度的增大都明显地降低应力传递效率和纤维的饱和应力,但增大了碳纳米管纤维的有效长度。此外碳纳米管的长径比较小时,对应力传递效率和碳纳米管有效长度均有较明显的影响。 用有限元方法仿真模拟了CNTs增强镁合金复合材料CNTs/Mg和CNTs/AZ91D微区应力场。结果表明,两种复合材料的应力应变分布规律基本相同。在相同拉力下,复合材料整体轴向变形比未加CNTs的基体材料Mg和AZ91D轴向变形明显减小。在CNTs两端面处附近的基底部分出现明显的应力集中现象,说明CNTs对基体材料起到了增强效果。复合材料的断裂是从CNTs两端面附近界面处开始,其破坏方式是界面脱开。计算结果与实验结果吻合。


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