鎳磷納米碳管化學復合鍍層的力學性能研究.pdf

1、納米科技是20世紀80年代末剛剛產生并正在崛起的新技術,納米材料是納米科技發(fā)展的物質基礎。納米材料中納米碳管因具有獨特的結構和優(yōu)異的性能,而成為世界性的納米材料領域研究的前沿和熱點之一。論文一方面進行納米碳管的制備和鎳磷-納米碳管復合鍍,研究納米碳管對鍍層組織、結構和力學性能的影響;另一方面從理論上用量子化學方法研究納米碳管與鎳磷基體間的界面結構,用有限元方法分析復合鍍層在單向拉伸時的細觀力學行為,以探討該復合鍍層的有關理論和應用前景,

2、所得結果具有重要的理論意義和應用參考價值。研究表明:用氨氣作還原氣體,以硝酸鎳為原料,制備鎳催化劑的最佳溫度范圍為700℃-800℃;而用氫氣作為還原氣體制備催化劑的最佳溫度為600℃-700℃。氨氣兼有載氣和還原氣體的雙重作用。以氨氣、乙炔為氣源可以采用一步法制備納米碳管,簡化工藝和設備。和非晶態(tài)的Ni-P鍍層相比,納米碳管的加入使鍍層發(fā)生了由非晶向納米晶的轉化。這是因為鍍液中有納米碳管時,對磷有捕獲作用,使鍍層中的磷向納米碳管偏聚。

3、納米碳管的加入,使鍍層表面呈顆粒狀,納米碳管的含量越高,粒狀物越小,密度越大。對Ni-P-CNTs復合鍍試樣的拉伸實驗研究表明,Ni-P合金鍍層斷口為平整光滑的與拉伸方向垂直的脆性斷口。隨著鍍層中納米碳管含量的增加,鍍層的韌性增加,斷口上出現(xiàn)韌窩。實驗中發(fā)現(xiàn)了Ni-P-CNTs復合鍍層靠近斷口的側面有波紋狀的裂紋群,并用有限元法從理論上作出了合理的解釋。隨CNTs含量的增加,Ni-P-CNTs復合鍍試樣的硬度、最大延伸率和斷面收縮率增加

4、,因此,可以用加入納米碳管的方法改善復合材料的韌性;而抗拉強度、斷裂強度和彈性模量等參數(shù)隨著納米碳管含量的增加而降低。實驗數(shù)據表明,復合鍍層的彈性模量Ec,Ni-P鍍層的彈性模量Em與納米碳管的質量分數(shù)mn滿足以下關系Ec=Em(1-Kmn)式中K為與界面結合強度有關的常數(shù),本實驗中其值等于3.3781;針對目前復合材料的強度表達式只考慮基體和增強體的現(xiàn)狀,在實驗的基礎上,本文認為應考慮界面對強度的影響,提出了界面強度因子的概念,此時,

5、對于纖維三維隨機分布的復合材料的強度公式為σc=1/4Kσf(1-LC/(2L))Vf+σm*VmLC≤Lσc=K1τL/4dVf+σmVm Lc>L式中K和K1為界面強度因子,它可取正值也可為負值。取正值時,增強纖維起到了增強作用;取負值時,表明增強纖維削弱了基體的強度。用有限元法分析了在單向拉伸條件下,界面為機械結合或物理、化學結合時復合鍍層中的應力、應變分布規(guī)律。結果表明,最大應力出現(xiàn)在納米碳管的端部,而最大應變出現(xiàn)在納米碳管端部

6、相接觸的基體中。納米碳管位向,長度,直徑以及納米碳管和基體的結合強度,都影響應力、應變分布。納米碳管排成陣列時,在單向拉伸狀態(tài)下,在靠外側納米碳管端部以及和其接觸的基體中所對應的應力最大,在靠外側納米碳管端部的界面/基體中應變最大;外力作用對靠外側納米碳管的影響較大,對內側納米碳管的影響較小。對Ni-P-CNTs復合鍍層的界面進行的量子化學研究表明,在化學鍍過程中,鎳、磷和納米碳管都可以成鍵,磷原子更容易在納米碳管周圍富集,使磷在納米碳