納米碳管增強鎂基復合材料的研究.pdf

1、本文以納米碳管增強鎂基復合材料為研究對象，采用實驗研究與理論建模相結合的方法，探討了納米碳管與鎂基體相容性問題，并分別采用復合鑄造法和粉末冶金法開展了制備納米碳管增強鎂基復合材料的復合方法研究。與此同時，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，對納米碳管增強鎂基復合材料的顯微組織、力學性能以及納米碳管與鎂基體的界面結合狀況和復合材料的拉伸斷口形貌特征進行了系統(tǒng)的研究，分析了復合材料的斷裂破壞機制。在此基礎上，從

2、復合材料中兩種不同材料的熱膨脹系數的不匹配出發(fā)提出了納米碳管增強鎂基復合材料的強化模型。主要內容和研究結果如下： (1)采用合適的化學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、光滑和結合力強的鍍鎳、鎳鋅和鎳銅層，并首次發(fā)現(xiàn)可通過調整鍍液中主鹽組成、還原劑等在納米碳管表面獲得鎳鋅或鎳銅復合涂覆層，這為在納米碳管的表面低成本、高可控設計和組裝復合涂層提供了一種新思路，同時為研究納米碳管與鎂基結合界面

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

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

5、基材料的位錯密度，大幅度提高復合材料的抗拉強度、延伸率、平均彈性模量和布氏硬度。其中，采用復合鑄造法時，隨著CNTs的加入量增加，復合材料的抗拉強度、延伸率、平均彈性模量和布氏硬度明顯提高，當CNTs加入量達1.0vol％時，復合材料的抗拉強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6個布氏硬度。但在本試驗條件下，CNTs的加入量不能超過1.0vol％，否則，因CNTs

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

7、鍍鎳處理，CNTs加入量超過1.0vol％以后，其抗拉強度和延伸率大幅下降。 (5)首次發(fā)現(xiàn)納米碳管增強鎂基復合材料的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有觀察到任何反應物存在。并發(fā)現(xiàn)納米碳管增強鎂基復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的鎂復合材料，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，涂層與鎂基體結合緊密。為此，提出了納米碳管增強鎂

8、基復合材料的斷裂破壞形式為拔出機制的新觀點，這些發(fā)現(xiàn)為建立和分析納米碳管增強機理提供實驗依據。 (6)從復合材料中兩種不同材料的熱膨脹系數不匹配出發(fā)，提出鎂基復合材料的強化主要是來自于納米碳管與基體熱膨脹系數不匹配而引起的位錯強化和細晶強化。首次建立了納米碳管增強鎂基復合材料的強化模型，該模型較好地解釋了CNTs增強鎂基復合材料的強化機理，并與實驗結果比較吻合，為準確描述納米碳管增強復合材料的損傷斷裂機制，豐富納米復合材料強化機