碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的無壓滲透法制備及性能研究.pdf

1、關(guān)于碳納米管/鋁基復(fù)合材料的研究雖然取得了一定進(jìn)展，但是一些最基本的問題目前并沒有真正得到解決，主要是：(1)碳納米管在鋁基復(fù)合材料合成過程中的化學(xué)穩(wěn)定性問題；(2)碳納米管在鋁合金基體中的分散問題；(3)碳納米管與鋁合金基體的界面結(jié)合問題；(4)碳納米管對鋁合金基體的增強(qiáng)機(jī)理問題。關(guān)于碳納米管與鋁基體的化學(xué)反應(yīng)，目前已有較多研究，但結(jié)論不盡一致。碳納米管與鋁基體的化學(xué)反應(yīng)涉及碳管與鋁基體的界面潤濕和界面結(jié)合問題，這同時(shí)也與碳管在基體中

2、的分散和碳管的增強(qiáng)機(jī)制密切相關(guān)。
　　 本文利用真空爐將經(jīng)過球磨混合的碳納米管、鋁粉和鎂粉在700～850℃煅燒，研究碳納米管與鋁的化學(xué)反應(yīng)，分析了反應(yīng)條件對產(chǎn)物的影響。結(jié)果表明，金屬鎂的存在使得高溫下鋁粉表面的氧化膜被去除，從而使鋁與碳納米管發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并通過反應(yīng)浸潤機(jī)制實(shí)現(xiàn)鋁液在碳納米管表面的鋪展和包覆。鋁液與碳納米管的化學(xué)反應(yīng)實(shí)際上是鋁與碳管表面缺陷和無定形碳的反應(yīng)，這種反應(yīng)受到碳管表面納米尺度的缺陷和無定形碳的制約，因此

3、生成的碳化物數(shù)量有限，大小也呈納米尺度。在850℃下反應(yīng)時(shí)間顯著延長時(shí)，碳化物的生成量并沒有明顯增加。碳化物與碳納米管表面緊密接觸，可促進(jìn)碳納米管與鋁基體的界面結(jié)合。
　　 本課題組在研究碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，采用無壓滲透技術(shù)制備了碳納米管/鋁基復(fù)合材料。鋁液與碳納米管之間的浸潤受鋁液與碳管表面缺陷和無定形碳化學(xué)反應(yīng)的控制。隨著二者之間反應(yīng)的進(jìn)行，碳管與鋁液之間的接觸角逐漸下降，當(dāng)接觸角達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，鋁液與碳管實(shí)現(xiàn)潤濕

4、，滲透過程才真正開始。因此無壓滲透過程需要一個(gè)孕育期。孕育期的長短與溫度和預(yù)制件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在800℃下退火24小時(shí)并沒有對碳納米管的石墨結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，碳管的主體結(jié)構(gòu)依然完整，因此碳納米管可以承受無壓滲透工藝對其結(jié)構(gòu)的影響，采用無壓滲透工藝制備碳納米管增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料是可行的。鋁液與碳納米管之間的反應(yīng)浸潤也是實(shí)現(xiàn)碳納米管均勻分散的關(guān)鍵。正是由于鋁液對碳管的浸潤，鋁液可以鋪展到碳管表面，擠入團(tuán)聚在一起的碳管之間。鋁液對碳納米管的潤濕

5、和包覆可以消除導(dǎo)致碳管團(tuán)聚的范德華力，使碳管彌散、均勻地植入到鋁基體中，避免碳管分布在鋁晶粒邊界，阻止鋁基體亞晶粒的長大。復(fù)合材料中碳納米管含量較高時(shí)，碳管并沒有發(fā)生明顯的團(tuán)聚，證明無壓滲透工藝可以實(shí)現(xiàn)碳管在鋁基體中的有效分散。
　　 對碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱失配問題進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，碳納米管的體積份數(shù)和降溫速率對熱失配應(yīng)力的釋放具有重要影響。在碳納米管含量較高或降溫速率較大時(shí)，熱失配應(yīng)力在降溫過程中無法通過位錯(cuò)增

6、殖機(jī)制得到及時(shí)釋放，碳納米管增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料中就往往會產(chǎn)生微裂紋。碳納米管可以通過拔出和橋連機(jī)制迫使裂紋的擴(kuò)展被延緩并改變其傳播方向。
　　 復(fù)合材料中少量的顯微裂紋導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度較低，而碳納米管的彌散分布則使復(fù)合材料的硬度和彈性模量較基體合金顯著增加。復(fù)合材料的摩擦磨損試驗(yàn)表明，將碳納米管添加到鋁合金中時(shí)，由于碳納米管彌散分布在基體中，碳管的自潤滑機(jī)制和碳管對基體的增強(qiáng)作用可以明顯改善復(fù)合材料的減摩耐磨性能。對復(fù)合材料磨損表

7、面的觀察證明了顯微裂紋對磨損過程的影響，碳納米管含量增加導(dǎo)致復(fù)合材料中微裂紋的數(shù)量增加，使得剝層磨損成為主要的磨損機(jī)制。
　　 對碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明碳納米管的加入使得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率明顯降低，隨著碳管含量增加，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率降低更加明顯。碳納米管在鋁合金基體中無規(guī)排列，使得界面熱阻增加，同時(shí)碳納米管的加入使基體亞晶粒細(xì)化，提高了亞晶粒的界面熱阻。由于碳納米管與鋁合金基體之間的熱失配應(yīng)力而