碳納米管增強鋁基復合材料的制備及組織性能研究.pdf

1、本文以多壁碳納米管為增強體，利用粉末冶金方法制備了體積分數(shù)為0～4.2％的碳納米管增強2024鋁基復合材料。對制備過程中所涉及的碳納米管的純化、碳納米管與合金粉末的均勻混合、碳納米管在鋁基體中的熱穩(wěn)定性、復合材料的致密化進行了系統(tǒng)地研究與分析，運用掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜和高分辯電鏡以及萬能電子拉伸機、熱分析儀、維氏硬度等分析測試手段，評價了復合材料的制備工藝，觀察分析復合材料的顯微組織結構，測試了復合材料的室溫

2、力學性能，并對微觀組織結構影響材料宏觀力學性能的機制進行了初步探討。
　　對碳納米管不同時間下硝酸回流的研究表明，隨著回流時間的增加，碳納米管的長徑比減少；碳納米管中sp2與sp3雜化態(tài)碳的原子比下降，表面缺陷減少，且表面引入的含氧官能團的含量增加。硝酸回流后的碳納米管的分散效果要比未回流的好，且回流時間越長，分散效果越好。當碳納米管的含量小于2.1vol.%時，通過超聲加機械攪拌能將碳納米管均勻的分散在合金粉末的表面，而當碳納米

3、管的含量達到4.2vol.%時，碳納米管在合金粉末表面形成團聚。結合合金粉末和碳納米管的表面結構,分析了碳納米管的純化與分散以及碳納米管與合金粉末均勻混合的機理。
　　對碳納米管在合金粉末中熱穩(wěn)定性進行研究，結果表明當溫度超過合金粉末的熔點時，碳納米管在鋁中是不穩(wěn)定的，部分碳納米管容易與鋁發(fā)生反應生成具有針狀的納米Al4C3相；碳納米管與鋁反應的活化能為194.01kJ/mol，比石墨與鋁的高；反應生成的Al4C3相與鋁基體之間界

4、面為直接結合，界面結合緊密，且Al4C3相和鋁基體發(fā)現(xiàn)有(200)Al//(00012)Al4C3的位向關系。利用高HRTEM和XPS分析，討論碳納米管與鋁反應的機理。
　　擠壓后的復合材料中鋁晶粒的尺寸顯著小于基體材料中鋁晶粒的，碳納米管能夠有效地抑制鋁晶粒的粗化，細化鋁晶粒尺寸。此外，碳納米管在復合材料中是穩(wěn)定的，主要分布在復合材料中鋁晶粒的內部和晶界處，部分碳納米管周圍存在位錯纏結現(xiàn)象。碳納米管和鋁基體之間的界面為直接原子結

5、合，界面光滑、平直，不存在中間相，兩者為完全共格界面。碳納米管與鋁基體之間發(fā)現(xiàn)有(200)Al//(1011)CNTs的位向關系。
　　碳納米管的含量顯著影響復合材料的力學性能，隨著碳納米管含量的增加，復合材料的硬度、抗拉強度、彈性模量和屈服強度先升高然后下降，當碳納米管的含量為2.1vol.%時，復合材料的硬度、抗拉強度、彈性模量和屈服強度達到最大值，分別為136.2kg/mm2、521.7MPa、92.2GPa和497.7MP