碳納米管-鎂基復(fù)合材料的制備與物性研究.pdf

1、本文全面綜述了國內(nèi)外碳納米管(CNTs)/鎂基復(fù)合材料的研究進(jìn)展，研究了鎂基碳納米管復(fù)合材料的制備、界面行為、儲氫性能、力學(xué)性能、熱性能、強(qiáng)化機(jī)理等問題。主要研究結(jié)果如下：
　　 用陽極電弧等離子體法制備出準(zhǔn)直的碳納米管和包覆金屬粒子的碳納米管。用化學(xué)鍍法對提純后的碳納米管外表面鍍覆了鎳層。鍍層為Ni、Ni3P納米晶，且致密、均勻。鍍層中富含六角密排結(jié)構(gòu)Ni，其晶格常數(shù)與鎂相近。
　　 采用機(jī)械合金化方法制備Mg-Ni、

2、Mg-Ni-CNTs、Mg-Ni-CNTs-TiO2儲氫材料。Mg-Ni二元儲氫合金的最大吸氫量為5.419 wt％，但放氫溫度高、吸放氫動力學(xué)性能差。Mg-Ni-CNTs復(fù)合材料較Mg-Ni合金在吸放氫量上有所提高，放氫溫度明顯下降，當(dāng)CNTs含量為10wt％，在1min內(nèi)吸氫量達(dá)到7.2 wt％，在60～100s內(nèi)放氫量達(dá)到6.2 M％。Mg-Ni-CNTs-TiO2復(fù)合材料與Mg-Ni-CNTs復(fù)合材料相比，吸放氫量沒有顯著地提高

3、，但是由于TiO2的加入，使得納米復(fù)合材料氫化生成焓明顯降低，活化性能得到進(jìn)一步提高，而且大大提高了材料的使用壽命，降低了實(shí)驗(yàn)成本。
　　 用全液態(tài)攪拌鑄造法成功制備了CNTs/Mg，CNTs/SiCp/Mg，CNTs/AZ91D，CNTs/SiCp/AZ91D四種鎂基復(fù)合材料。隨CNTs加入量的增加，復(fù)合材料的彈性模量和硬度增大，而抗拉強(qiáng)度和延伸率則先增后減。SiCp體積分?jǐn)?shù)在0~3vol％的范圍內(nèi)，隨SiCp加入量的增加，

4、復(fù)合材料的彈性模量、硬度和抗拉強(qiáng)度增大，而延伸率則減小。對CNTs/Mg、CNTs/2vol％SiCp/Mg復(fù)合材料：當(dāng)CNTs含量為1.1vol％時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量、硬度和抗拉強(qiáng)度分別比基體材料提高了28.4％和51.8％、10.2％和19.5％、67％和80％；CNTs/Mg的延伸率比基體提高了60.6％，而CNTs/2vol％SiCp/Mg的延展率比基體略有降低。對CNTs/AZ91D、CNTs/3.0vol％SiCp/AZ9

5、1D復(fù)合材料：當(dāng)CNTs含量為1.0vol％時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量、硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別比基體材料提高了23.8％和29.8％、7.8％和9.3％、39.4％和46.76％、34％和14.6％。但是對Mg和AZ91D為基體的復(fù)合材料，CNTs的加入量分別不能超過1.1vol％和1.0vol％，否則，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率會因CNTs難以分散而大幅下降，同時(shí)使硬度和彈性模量的增幅也逐漸減小。增強(qiáng)相CNTs和SiCp可明顯細(xì)化晶粒

6、組織。CNTs在斷裂過程中，基體與增強(qiáng)體之間為界面脫開方式。CNTs/SiCp/Mg的斷裂機(jī)制主要是脆性斷裂，伴有少量的韌性斷裂，其中脆性斷裂中以穿晶脆性斷裂為主、沿晶脆性斷裂為輔。CNTs/SiCp/AZ91D復(fù)合材料的斷裂機(jī)制為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂方式。鎳鍍CNTs和SiCp與Mg基體之間存在界面反應(yīng)，分別生成界面相Mg2Ni和MgSi2，界面反應(yīng)量較小。
　　 CNTs/Mg和CNTs/SiCp/AZ91D復(fù)合材料

7、的平均熱膨脹系數(shù)約為各自基體熱膨脹系數(shù)的1/2，SiCp/AZ91D和CNTs/AZ91D復(fù)合材料分別比基體減小了18％和36.5％。CNTs/AZ91D、SiCp/AZ91D和CNTs/SiCp/AZ91D復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)均比基體AZ91D合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)高。用有限元法模擬了CNTs/AZ91D復(fù)合材料板材在25。300?！鏈囟确秶鷥?nèi)和不同壓邊力條件下的熱拉深成形過程。對于厚度為1mm，直徑為160mm的板材，在100℃以下其拉深

8、性能很差；隨著成形溫度的升高，其拉深性能得到較大的改善，在250℃時(shí)，拉深性能最好，在熱拉深時(shí)壓邊力的大小應(yīng)選擇為5～8kN。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
　　 建立了CNTs/Mg復(fù)合材料的剪切滯后模型，分析了增強(qiáng)機(jī)理。利用四種強(qiáng)化機(jī)理公式，估算出了各種強(qiáng)化機(jī)理的屈服強(qiáng)度的大小。其中應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化對鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化最大，其次是位錯強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化，影響最小的是殘余熱應(yīng)力強(qiáng)化。在CNTs含量低于1.1vol％時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

9、比較吻合。分析了含有界面層的CNTs/Mg復(fù)合材料中的應(yīng)力場、應(yīng)力傳遞效率、碳納米管的飽和應(yīng)力和有效長度。界面層的存在以及其厚度的增大都明顯地降低應(yīng)力傳遞效率和纖維的飽和應(yīng)力，但增大了碳納米管纖維的有效長度。此外碳納米管的長徑比較小時(shí)，對應(yīng)力傳遞效率和碳納米管有效長度均有較明顯的影響。
　　 用有限元方法仿真模擬了CNTs增強(qiáng)鎂合金復(fù)合材料CNTs/Mg和CNTs/AZ91D微區(qū)應(yīng)力場。結(jié)果表明，兩種復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律基