碳納米管強(qiáng)韌化氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料研究.pdf

1、碳納米管以其優(yōu)秀的力學(xué)性能在增韌陶瓷基復(fù)合材料方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),但是碳納米管的糾纏團(tuán)聚狀態(tài)嚴(yán)重影響了其應(yīng)用,碳納米管的分散一直是碳納米管復(fù)合材料領(lǐng)域的難點(diǎn)。本文在總結(jié)前人對(duì)碳納米管分散方法的研究基礎(chǔ)上,重點(diǎn)探索了碳納米管直接在氧化鋁陶瓷粉體中的分散方法,并分別采用氫氣氣氛常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)制備了碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料。
　　首先,采用剪切擠出法將碳納米管均勻分散在氧化鋁粉中,制備了均勻分散的碳納米管-氧化鋁復(fù)合粉

2、體。通過(guò)碳納米管分散方法的研究,發(fā)現(xiàn)碳納米管分散具有3個(gè)過(guò)程:碳納米管團(tuán)聚體的散開(kāi),長(zhǎng)碳納米管的剪斷,短碳納米管的分散。粘度、斷口缺陷率、SEM結(jié)果都顯示出剪切擠出法具有三個(gè)階段。
　　通過(guò)對(duì)剪切擠出過(guò)程的分析,建立了剪切擠出法分散碳納米管的分散模型;分散過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力為擠出過(guò)程聚合物熔體流動(dòng)的層流剪切力,陶瓷剛性粉體的相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)是促進(jìn)碳納米管分散的關(guān)鍵因素,聚合物熔體的位阻效應(yīng)可以有效的保持碳納米管的分散狀態(tài);給出了剪切擠出

3、法分散碳納米管的熱力學(xué)特征,動(dòng)力學(xué)方程及其邊界條件。
　　以剪切擠出法制備得到的碳納米管-氧化鋁復(fù)合粉體為基礎(chǔ),分別采用氫氣氣氛常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等燒結(jié)工藝制備了碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)對(duì)于常壓燒結(jié),當(dāng)碳納米管含量為1wt％時(shí)碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料斷裂韌性達(dá)到6.11MPa﹒m1/2,相對(duì)不添加碳納米管提高了93.2%。對(duì)于熱壓燒結(jié),碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料的致密度達(dá)到98.8%以上,當(dāng)碳納米管含量為2wt

4、%時(shí)復(fù)合材料斷裂韌性達(dá)到6.32MPam1/2,相對(duì)不添加碳納米管提高了99.2%。對(duì)于放電等離子燒結(jié),在更低的燒結(jié)溫度更短的燒結(jié)時(shí)間下,碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料致密度達(dá)98.5%以上的,當(dāng)碳納米管含量為2wt%時(shí),復(fù)合材料的斷裂韌性達(dá)到大約6.55MPam1/2,相對(duì)不添加碳納米管提高了105%。
　　研究發(fā)現(xiàn),在本實(shí)驗(yàn)條件下,碳納米管的含量存在一個(gè)最佳值,常壓燒結(jié)為1wt%,壓力燒結(jié)為2wt%,繼續(xù)增加碳納米管含量,對(duì)碳納米管

5、-氧化鋁復(fù)合材料的斷裂韌性有害。在常壓燒結(jié)中,由于增加碳納米管含量,降低了碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料的致密度,引起斷裂韌性的下降。在壓力燒結(jié)中,增加碳納米管含量,碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料致密度保持穩(wěn)定,斷裂韌性依然降低,可能是由于碳納米管含量的增加使分散的碳納米管搭接、附著在一起的幾率增大,復(fù)合材料的缺陷率提高引起的。
　　通過(guò)對(duì)不同燒結(jié)方法制得的碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料進(jìn)行XRD分析,發(fā)現(xiàn)碳納米管的添加使復(fù)合材料中氧化鋁基體的峰位