納米WC-Co基碳納米管復合材料的SPS合成及強韌化機理.pdf

1、碳納米管(CNTs)具有獨特的一維管狀結構和優(yōu)異的力學性能，是纖維/晶須類復合材料強化相的終極形式。本文將碳納米管引入納米WC/Co硬質合金基體，采用放電等離子體燒結(SPS)工藝合成了納米WC/Co基碳納米管復合材料，主要研究了碳納米管在SPS中的穩(wěn)定性、碳納米管在基體上的分散、復合材料的SPS合成與燒結動力學、顯微組織與界面結構、力學性能及強韌化機理。 采用透射電鏡、掃描電鏡、激光拉曼光譜研究了碳納米管在SPS中的穩(wěn)定性，結

2、果表明碳納米管在SPS中1200℃下保溫10min內結構保持穩(wěn)定，延長保溫時間至20min，碳管發(fā)生斷裂，管長變短，端帽由封閉變?yōu)殚_口，但管壁結構完好。首次發(fā)現(xiàn)碳納米管在SPS中1500℃，80MPa保溫20min以上，部分轉變?yōu)榻饎偸?，既有單晶又有聚晶顆粒，尺寸100nm～100μm。碳納米管在SPS中低壓下形成金剛石的能量機制是SPS中等離子的存在起到了重要促進作用，從而為SPS中等離子體的產(chǎn)生提供了有力的實驗證據(jù)。SPS中碳納米管

3、轉變?yōu)榻饎偸臋C制為：碳管管壁C-C鍵斷裂，球化形成巴基蔥，金剛石在巴基蔥核心形核，然后在SPS能量的持續(xù)作用下長大。推導出了金剛石在巴基蔥核心形核的形核功△G數(shù)學模型。 研究了碳納米管在納米WC/Co粉末中的分散工藝，發(fā)現(xiàn)采用超聲波和低能球磨工藝與添加陰、陽離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉和檸檬酸銨進行非等摩爾復配物理化學法相結合，可將碳納米管較均勻地分散在納米WC/Co中。熱壓、無壓與SPS燒結對比研究表明SPS合成納米WC/C

4、o硬質合金可實現(xiàn)低溫快速致密化，降低燒結溫度，縮短燒結時間，一定程度上抑制納米WC晶粒長大；納米WC在SPS中的晶粒長大激活能低，其能抑制晶粒長大得益于其較高的燒結速度和效率。研究了碳納米管對納米WC/Co硬質合金致密化和晶粒長大的影響，表明在納米硬質合金中添加0.6wt％以內的碳納米管，可促進致密化，抑制納米WC晶粒長大。 對納米WC/Co的SPS過程進行了理論研究，發(fā)現(xiàn)其過程可分為連續(xù)過渡的三個階段：燒結初期、中期和后期；S

5、PS中電火花和等離子體主要在燒結初期產(chǎn)生，SPS初期以電場和熱場增強的擴散和蒸發(fā)-凝聚為主要機理；中期以粉末的塑性變形為主要機理；后期以塑性流動和擴散蠕變?yōu)橹饕獧C理；并推導出了各階段的燒結動力學數(shù)學模型；SPS燒結納米WC/Co硬質合金的整個過程是以擴散為主導的燒結機制。 通過X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡研究了納米WC/Co/CNTs復合材料的顯微組織與界面結構，表明SPS燒結后碳納米管依然保存在合金組織中，沒有與基體發(fā)生物相

6、反應及相變?yōu)槭惶技{米管外層碳原子向液相中擴散引起合金碳含量有所升高，采用碳納米管可調整硬質合金的含碳量，解決硬質合金的脫碳問題，得出了碳納米管補加量的經(jīng)驗公式。納米WC/6Co/0.5CNTs(wt％)復合材料的WC平均晶粒尺寸可細化到約150nm，碳納米管呈管束狀分布于WC/WC或WC/Co的界面，大部分碳管圍繞在WC晶粒周圍或呈斷裂狀夾于晶界，少量的碳管呈拔出和橋聯(lián)狀存在于合金組織中；物理化學法分散碳納米管在納米WC/Co基體上

7、可得到較高的界面結合強度。高分辨電鏡分析表明碳納米管與基體直接結合，部分碳管已經(jīng)進入WC內部并與WC晶粒鍵合，一定程度上形成共格結構，碳管與基體的界面不存在任何雜質相，與基體界面結合良好。 對比研究了碳納米管復合材料的力學性能與碳管分散工藝和燒結方法的關系，結果表明物理化學法分散碳納米管到納米WC/Co粉末基體并用SPS工藝合成，可以得到較好的強韌化效果，納米WC/6Co/0.5CNTs復合材料硬度達25.6GPa，斷裂韌性達1

8、4.5MPam1/2，抗彎強度達3560MPa，與同條件下制備的納米WC/6Co硬質合金相比分別提高了約20％，50％和36％。采用掃描電鏡，X射線光電子能譜研究了碳納米管在納米硬質合金基體上的強韌化機理，表明主要有細晶強化，界面強化，裂紋彎曲與偏轉，裂紋分支，拔出與橋聯(lián)及殘余應力增韌等幾種機制，其在納米硬質合金基體上同時存在，納米WC/Co/CNTs復合材料的力學性能提高是以上幾種強韌化機制復合作用的結果，碳納米管的含量為0.5wt％