碳納米管增強鋁基復合材料的無壓滲透法制備及性能研究.pdf

1、關于碳納米管/鋁基復合材料的研究雖然取得了一定進展，但是一些最基本的問題目前并沒有真正得到解決，主要是：(1)碳納米管在鋁基復合材料合成過程中的化學穩(wěn)定性問題；(2)碳納米管在鋁合金基體中的分散問題；(3)碳納米管與鋁合金基體的界面結合問題；(4)碳納米管對鋁合金基體的增強機理問題。關于碳納米管與鋁基體的化學反應，目前已有較多研究，但結論不盡一致。碳納米管與鋁基體的化學反應涉及碳管與鋁基體的界面潤濕和界面結合問題，這同時也與碳管在基體中

2、的分散和碳管的增強機制密切相關。
　　 本文利用真空爐將經(jīng)過球磨混合的碳納米管、鋁粉和鎂粉在700～850℃煅燒，研究碳納米管與鋁的化學反應，分析了反應條件對產(chǎn)物的影響。結果表明，金屬鎂的存在使得高溫下鋁粉表面的氧化膜被去除，從而使鋁與碳納米管發(fā)生化學反應并通過反應浸潤機制實現(xiàn)鋁液在碳納米管表面的鋪展和包覆。鋁液與碳納米管的化學反應實際上是鋁與碳管表面缺陷和無定形碳的反應，這種反應受到碳管表面納米尺度的缺陷和無定形碳的制約，因此

3、生成的碳化物數(shù)量有限，大小也呈納米尺度。在850℃下反應時間顯著延長時，碳化物的生成量并沒有明顯增加。碳化物與碳納米管表面緊密接觸，可促進碳納米管與鋁基體的界面結合。
　　 本課題組在研究碳納米管增強銅基復合材料的基礎上，采用無壓滲透技術制備了碳納米管/鋁基復合材料。鋁液與碳納米管之間的浸潤受鋁液與碳管表面缺陷和無定形碳化學反應的控制。隨著二者之間反應的進行，碳管與鋁液之間的接觸角逐漸下降，當接觸角達到穩(wěn)態(tài)時，鋁液與碳管實現(xiàn)潤濕

4、，滲透過程才真正開始。因此無壓滲透過程需要一個孕育期。孕育期的長短與溫度和預制件的結構有關。在800℃下退火24小時并沒有對碳納米管的石墨結構造成嚴重破壞，碳管的主體結構依然完整，因此碳納米管可以承受無壓滲透工藝對其結構的影響，采用無壓滲透工藝制備碳納米管增強的鋁基復合材料是可行的。鋁液與碳納米管之間的反應浸潤也是實現(xiàn)碳納米管均勻分散的關鍵。正是由于鋁液對碳管的浸潤，鋁液可以鋪展到碳管表面，擠入團聚在一起的碳管之間。鋁液對碳納米管的潤濕

5、和包覆可以消除導致碳管團聚的范德華力，使碳管彌散、均勻地植入到鋁基體中，避免碳管分布在鋁晶粒邊界，阻止鋁基體亞晶粒的長大。復合材料中碳納米管含量較高時，碳管并沒有發(fā)生明顯的團聚，證明無壓滲透工藝可以實現(xiàn)碳管在鋁基體中的有效分散。
　　 對碳納米管增強鋁基復合材料的熱失配問題進行了初步研究。結果表明，碳納米管的體積份數(shù)和降溫速率對熱失配應力的釋放具有重要影響。在碳納米管含量較高或降溫速率較大時，熱失配應力在降溫過程中無法通過位錯增

6、殖機制得到及時釋放，碳納米管增強的鋁基復合材料中就往往會產(chǎn)生微裂紋。碳納米管可以通過拔出和橋連機制迫使裂紋的擴展被延緩并改變其傳播方向。
　　 復合材料中少量的顯微裂紋導致其抗拉強度較低，而碳納米管的彌散分布則使復合材料的硬度和彈性模量較基體合金顯著增加。復合材料的摩擦磨損試驗表明，將碳納米管添加到鋁合金中時，由于碳納米管彌散分布在基體中，碳管的自潤滑機制和碳管對基體的增強作用可以明顯改善復合材料的減摩耐磨性能。對復合材料磨損表

7、面的觀察證明了顯微裂紋對磨損過程的影響，碳納米管含量增加導致復合材料中微裂紋的數(shù)量增加，使得剝層磨損成為主要的磨損機制。
　　 對碳納米管增強鋁基復合材料的導熱性能進行了初步研究，結果表明碳納米管的加入使得復合材料的熱導率明顯降低，隨著碳管含量增加，復合材料的熱導率降低更加明顯。碳納米管在鋁合金基體中無規(guī)排列，使得界面熱阻增加，同時碳納米管的加入使基體亞晶粒細化，提高了亞晶粒的界面熱阻。由于碳納米管與鋁合金基體之間的熱失配應力而