納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究.pdf

1、本文以納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)研究與理論建模相結(jié)合的方法，探討了納米碳管與鎂基體相容性問(wèn)題，并分別采用復(fù)合鑄造法和粉末冶金法開(kāi)展了制備納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的復(fù)合方法研究。與此同時(shí)，利用差熱分析儀、透射電鏡、掃描電鏡(帶波譜，能譜)等現(xiàn)代分析儀器，對(duì)納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能以及納米碳管與鎂基體的界面結(jié)合狀況和復(fù)合材料的拉伸斷口形貌特征進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分析了復(fù)合材料的斷裂破壞機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，從

2、復(fù)合材料中兩種不同材料的熱膨脹系數(shù)的不匹配出發(fā)提出了納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化模型。主要內(nèi)容和研究結(jié)果如下： (1)采用合適的化學(xué)鍍鍍液和鍍覆條件能夠在納米碳管表面獲得很高的包覆率，且鍍層完整，連續(xù)、致密、光滑和結(jié)合力強(qiáng)的鍍鎳、鎳鋅和鎳銅層，并首次發(fā)現(xiàn)可通過(guò)調(diào)整鍍液中主鹽組成、還原劑等在納米碳管表面獲得鎳鋅或鎳銅復(fù)合涂覆層，這為在納米碳管的表面低成本、高可控設(shè)計(jì)和組裝復(fù)合涂層提供了一種新思路，同時(shí)為研究納米碳管與鎂基結(jié)合界面

3、提供了更多的選擇。 (2)采用本文所設(shè)計(jì)和制作的裝置能制備性能良好的納米碳管增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，為采用鑄造復(fù)合法和粉末冶金法制備納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料提供了一種新裝置和方法。 復(fù)合鑄造法制備納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的關(guān)鍵工藝參數(shù)主要是加熱溫度、攪拌時(shí)間和CNTs加入量，其中，納米碳管影響最大，其加入量約為1.0vol％時(shí)對(duì)力學(xué)性能比較有利，加溫溫度取較低(680℃)較好，攪拌時(shí)間在3min時(shí)，其綜合性能較好，但納米碳管

4、加入量太高時(shí)，因CNTs難以分散而使復(fù)合材料的性能大幅下降。 納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的燒結(jié)工藝參數(shù)是采用粉末冶金法制備鎂基復(fù)合材料的制備工藝關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)試樣的最終性能(試樣的硬度和相對(duì)密度)起著決定性的影響。其中，增壓壓力、CNTs加入量、保溫時(shí)間、燒結(jié)溫度的最佳參數(shù)為：增壓壓力：8atm，CNTs加入量：3.5vol％，保溫時(shí)間：90min，燒結(jié)溫度：540℃。 (3)CNTs能明顯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，細(xì)化晶粒，提高鎂

5、基材料的位錯(cuò)密度，大幅度提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、延伸率、平均彈性模量和布氏硬度。其中，采用復(fù)合鑄造法時(shí)，隨著CNTs的加入量增加，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、延伸率、平均彈性模量和布氏硬度明顯提高，當(dāng)CNTs加入量達(dá)1.0vol％時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度比基體最高可提高了150％以上，延伸率比基體最高可提高了30％以上，其平均彈性模量可提高近80％，硬度增加達(dá)6個(gè)布氏硬度。但在本試驗(yàn)條件下，CNTs的加入量不能超過(guò)1.0vol％，否則，因CNTs

6、難以分散而使復(fù)合材料的性能大幅下降。采用粉末冶金法時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度隨著CNTs加入量的增加而增加，當(dāng)CNTs加入量達(dá)1.5vol％時(shí)，其拉伸強(qiáng)度可提高近100％，硬度增加達(dá)6個(gè)布氏硬度以上。 (4)不同涂層的納米碳管對(duì)復(fù)合材料具有不同的增強(qiáng)效果。其中，在CNTs表面鍍鎳鋅的增強(qiáng)效果比單純鍍鎳要好，在同等加入量情況下，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率提高近30％，但CNTs加入量不能太多，無(wú)論其是鍍鎳-鋅處理還是

7、鍍鎳處理，CNTs加入量超過(guò)1.0vol％以后，其抗拉強(qiáng)度和延伸率大幅下降。 (5)首次發(fā)現(xiàn)納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的CNTs表面鍍層很清晰，涂層比較完整，CNTs涂層與鎂基之間的界面沒(méi)有觀察到任何反應(yīng)物存在。并發(fā)現(xiàn)納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的拉伸斷口具有明顯的韌窩特征，采用鍍鎳鋅納米碳管增強(qiáng)的鎂復(fù)合材料，其斷口韌窩特征更明顯，斷裂界面在納米碳管與其涂層之間而不是在涂層與鎂基體之間，涂層與鎂基體結(jié)合緊密。為此，提出了納米碳管增強(qiáng)鎂

8、基復(fù)合材料的斷裂破壞形式為拔出機(jī)制的新觀點(diǎn)，這些發(fā)現(xiàn)為建立和分析納米碳管增強(qiáng)機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 (6)從復(fù)合材料中兩種不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配出發(fā)，提出鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化主要是來(lái)自于納米碳管與基體熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。首次建立了納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化模型，該模型較好地解釋了CNTs增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，為準(zhǔn)確描述納米碳管增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷斷裂機(jī)制，豐富納米復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)