碳納米管在鋁基體上原位合成及其復(fù)合材料的組織與性能.pdf

1、鋁基復(fù)合材料具有密度低、尺寸穩(wěn)定、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，是當(dāng)前金屬基復(fù)合材料研究開發(fā)的重點(diǎn)。碳納米管（CNTs）管徑小、長(zhǎng)徑比大、物理和化學(xué)性能優(yōu)異，是復(fù)合材料的理想增強(qiáng)相，也成為新型鋁基復(fù)合材料開發(fā)和CNTs應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)粉末冶金法機(jī)械混合或鑄造法機(jī)械攪拌制備的CNTs/Al基復(fù)合材料存在CNTs團(tuán)聚、破損和界面污染等問題，因此，開發(fā)新型復(fù)合材料制備工藝并研究相關(guān)的組織、性能是推

2、動(dòng)該材料應(yīng)用的關(guān)鍵。本文采用原位合成工藝制備了CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，即在鋁基體中原位合成CNTs增強(qiáng)相基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合粉末中CNTs的結(jié)晶程度、氧化穩(wěn)定性及不同結(jié)構(gòu)CNTs-Al的異質(zhì)界面結(jié)合特征進(jìn)行研究，并對(duì)CNTs原位增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備工藝、組織、性能和強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行探討。 ⑴對(duì)Fe、Co、Ni催化劑在鋁基體上低溫化學(xué)氣相沉積（CVD）合成CNTs的可行性和合成效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在優(yōu)選催化劑類型基礎(chǔ)上，對(duì)金屬鋁與傳統(tǒng)A

3、l2O3陶瓷基體的CNTs合成效果進(jìn)行了對(duì)比分析，并探討了合成條件對(duì)CNTs形態(tài)、結(jié)構(gòu)、結(jié)晶程度等的影響。結(jié)果表明：不同含量Ni催化劑都能夠在鋁基體上CVD穩(wěn)定合成產(chǎn)率高、形態(tài)良好、晶化程度高的CNTs，但Fe/Al、Co/Al催化劑的CNTs原位合成效果不佳，即Ni是鋁基體上CNTs原位合成的最佳催化劑類型；與Al2O3陶瓷基體相比，金屬Al基體具有抑制Ni催化劑顆粒團(tuán)聚的作用，可實(shí)現(xiàn)CNTs低溫高產(chǎn)率的穩(wěn)定合成；本實(shí)驗(yàn)條件下，600

4、℃時(shí)Ni催化劑合成的CNTs結(jié)構(gòu)和形態(tài)較好，是CNTs/Al復(fù)合粉末合成的最佳溫度。 ⑵對(duì)不同條件合成CNTs的氧化穩(wěn)定性、結(jié)晶程度、界面反應(yīng)程度進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了不同溫度條件下可獲得魚骨狀和管狀結(jié)構(gòu)的CNTs，探討了魚骨狀和管狀CNTs-Al異質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)特征，并從固相反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析了Al4C3的形成機(jī)理和不同類型CNTs-Al界面反應(yīng)差異的原因。對(duì)CNTs的氧化穩(wěn)定性研究表明，Ni含量可對(duì)CNTs管徑、結(jié)構(gòu)缺陷和

5、氧化穩(wěn)定性產(chǎn)生作用從而影響其熱穩(wěn)定性，Ni含量越高，CNTs穩(wěn)定性越差，因此，CNTs/Al原位復(fù)合粉末制備過程中應(yīng)控制Ni含量在較低范圍。對(duì)CNTs-Al界面結(jié)構(gòu)的研究表明，低溫合成的魚骨狀CNTs結(jié)晶程度低、結(jié)構(gòu)缺陷多、化學(xué)穩(wěn)定性差，導(dǎo)致魚骨狀CNTs-Al之間出現(xiàn)Al4C3脆性界面反應(yīng)層；較高溫度合成管狀CNTs的石墨基面結(jié)構(gòu)及較高的結(jié)晶程度使其具有良好化學(xué)穩(wěn)定性，可與鋁基體形成無不良界面反應(yīng)的直接結(jié)合型界面。 ⑶采用粉末

6、冶金法制備了CNTs/Al基復(fù)合材料，分別研究了冷壓-燒結(jié)-復(fù)壓和冷壓-燒結(jié)-熱擠壓兩種工藝對(duì)該復(fù)合材料物理和力學(xué)性能的影響，對(duì)其微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析并探討了該復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制。物理性能方面，與純鋁相比，CNTs原位增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在密度、熱膨脹系數(shù)、抗軟化溫度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但過高的CNTs含量對(duì)復(fù)合材料致密度、高溫穩(wěn)定性有不利影響。力學(xué)性能方面，隨CNTs含量升高，CNTs對(duì)鋁基體強(qiáng)化作用先升后降，0.5wt％CNTs/A