化學氣相沉積法原位合成碳納米管增強鋁基復合材料.pdf

1、碳納米管（CNTs）因具有優(yōu)異的力學、電學和熱學等特性而受到多個學科領(lǐng)域研究者的關(guān)注，同時在先進復合材料領(lǐng)域也引發(fā)了新的研究熱點。作為金屬基復合材料的理想增強體，要發(fā)揮CNTs優(yōu)異的性能，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是如何獲得CNTs在金屬基體中分散均勻、結(jié)構(gòu)保持完好且CNTs與基體之間界面結(jié)合良好的復合材料。而傳統(tǒng)的金屬基復合材料制備技術(shù)難以滿足這一要求，因此，尋求新的制備技術(shù)以克服現(xiàn)有方法的不足，是發(fā)展CNTs增強金屬基復合材料的關(guān)鍵。本研究

2、采用在鋁基體上原位合成CNTs方法制備了CNTs（Ni）/Al復合材料。首先采用沉積-沉淀法在鋁粉基體上獲得均勻分散的活性Ni納米顆粒，以該Ni/Al粉末為催化劑，利用化學氣相沉積法原位合成形態(tài)好、純度高、分散均勻的CNTs，即獲得CNTs（Ni）/Al復合粉末，并直接利用此復合粉末采用粉末冶金的方法來制備復合材料。 ⑴通過沉積-沉淀工藝和化學氣相沉積工藝分別制備了Ni/Al催化劑與CNTs（Ni）/Al復合粉末，研究了還原溫度

3、對Ni顆粒粒徑的影響，系統(tǒng)探索了化學氣相沉積工藝對CNTs產(chǎn)率、形貌與結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：鋁可以作催化劑載體，并能有效防止Ni納米顆粒的團聚；CNTs的形貌、結(jié)構(gòu)與原位合成工藝條件密切相關(guān)，當催化劑中Ni含量較低，還原溫度400℃、還原時間2h，合成溫度630℃，反應氣氛比例VN2： VH2： VCH4=480：120：60（ml/min）時，制備的CNTs形態(tài)好、純度高且在鋁粉中分散均勻；CNTs生長過程中Ni催化劑與鋁基體之間作用

4、力較弱，其生長屬于頂端生長機制。 ⑵采用差熱分析儀、X射線衍射儀和透射電子顯微鏡分析了原位合成CNTs（Ni）/Al復合粉末及其復合材料塊體發(fā)生相變的溫度范圍，研究了退火對CNTs-Al界面結(jié)構(gòu)的影響，考察了CNTs在復合粉末和復合材料中的熱穩(wěn)定性及其與鋁基體之間的界面浸潤情況，進而探討了CNTs-Al的界面潤濕理論。結(jié)果表明：復合粉末中CNTs在退火溫度低于800℃基本不與鋁發(fā)生反應，只是CNTs表面的無定形碳薄層與鋁反應生成

5、Al4C3薄層；復合材料塊體經(jīng)過850℃退火后CNTs與鋁基體之間界面結(jié)合好，且CNTs結(jié)構(gòu)保持好；CNTs與鋁基體間的界面反應潤濕動力學主要是通過Al4C3薄層沿著CNTs軸向長大進行的；CNTs與鋁基體間Al4C3薄層的形成，有利于改善CNTs-Al界面浸潤性，提高界面結(jié)合強度，從而提高CNTs（Ni）/Al復合材料的載荷傳遞效率和力學性能。 ⑶采用粉末冶金工藝對原位合成CNTs（Ni）/Al復合粉末進行壓制-燒結(jié)后制備了C

6、NTs（Ni）/Al復合材料。研究了成型工藝、燒結(jié)溫度、時間和復壓對復合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響，獲得了優(yōu)化的粉末冶金工藝參數(shù)。同時，研究了CNTs含量對復合材料力學性能和微觀組織的影響，并探討了復合材料的強化機理。結(jié)果表明：原位合成法引入的CNTs能顯著提高復合材料的硬度、拉伸強度和彈性模量。當CNTs含量為5wt％時，復合材料的硬度和拉伸強度較純鋁基體分別提高180％和300％，與傳統(tǒng)高能機械球磨法制備的復合材料的硬度和拉伸強度相比

7、，分別提高約100％和86％；復合材料的強化主要來自CNTs與鋁基體熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的基體加工硬化，CNTs對鋁基體變形的約束和對鋁基體中位錯運動的阻礙產(chǎn)生的位錯強化和細晶強化。 ⑷采用化學氣相沉積法在Ni含量較高的Ni/Al催化劑中合成了碳納米洋蔥結(jié)構(gòu)相（CNOs）。探討了化學氣相沉積工藝對CNOs產(chǎn)率、形貌與結(jié)構(gòu)的影響，考察了CNOs的純化、磁性能和摩擦學性能。結(jié)果表明：以氫氣作載氣時制得純度高且具有超順磁性的內(nèi)包鎳納