CNT-Fe-,3-Al金屬間化合物基復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

1、由于碳納米管(CNTs)獨(dú)特的中空管狀結(jié)構(gòu)與性能及其在納米電子器件和高性能納米材料中的潛在應(yīng)用，它一經(jīng)發(fā)現(xiàn)即刻受到了廣泛的關(guān)注。碳納米管具有非常獨(dú)特、十分完美的微觀結(jié)構(gòu)和非常大的長(zhǎng)經(jīng)比，同時(shí)具有超常力學(xué)性能以及優(yōu)良的電學(xué)性能，被認(rèn)為是納米復(fù)合材料的理想添加相，成為制備超強(qiáng)復(fù)合材料的極限形式。碳納米管復(fù)合材料是碳納米管應(yīng)用研究的一個(gè)重要組成部分。目前碳納米管復(fù)合材料研究主要集中在有機(jī)聚合物、陶瓷上，對(duì)金屬間化合物基納米管復(fù)合材料的研究很少

2、，因此，開展對(duì)碳納米管/金屬間化合物基復(fù)合材料的研究具有創(chuàng)新性。 本文綜述了當(dāng)前碳納米管增強(qiáng)聚合物、金屬、陶瓷復(fù)合材料的最近研究進(jìn)展，緊緊圍繞碳納米管納米復(fù)合材料這個(gè)當(dāng)前研究熱點(diǎn)，利用碳納米管具有的彈性模量高、強(qiáng)度高、韌性好，長(zhǎng)徑比大以及耐磨性高的特點(diǎn)，將碳納米管與金屬間化合物復(fù)合，一方面希望充分發(fā)揮碳納米管力學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)金屬間化合物起到增韌補(bǔ)強(qiáng)的作用；另外，有可能利用碳納米管的電學(xué)、磁學(xué)及吸波性等性能得到一種具有某種特

3、定功能的復(fù)合材料?；谝陨戏治觯疚脑O(shè)計(jì)和制備了一種新型的多壁碳納米管/Fe<,3>Al金屬間化合物基復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料的制備工藝、物理性能(力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能)、微觀結(jié)構(gòu)、增韌機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要研究?jī)?nèi)容如下： 論文首先對(duì)碳納米管和鐵鋁金屬間化合物的界面進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)，建立了碳納米管的理論學(xué)模型，借助于固體與分子經(jīng)驗(yàn)電子理論對(duì)其價(jià)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用界面電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型和方法研究了兩相的界面電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子

4、密度偏離連續(xù)，界面存在一定的應(yīng)力，這是一種更高級(jí)別的界面強(qiáng)韌化。采用差熱分析的實(shí)驗(yàn)方法探討了碳納米管與基體相的化學(xué)相容性，結(jié)果表明二者相容性良好；借助于x射線光電子能譜分析了復(fù)合材料界面的成分，分析表明，F(xiàn)e和Al形成Fe-Al鍵時(shí)，F(xiàn)e原子的內(nèi)層電子結(jié)合能減少，而Al原子的內(nèi)層電子結(jié)合能增加。 首次采用基于TFDC理論建立的“二原子模型”計(jì)算了機(jī)械合金化過(guò)程中Fe相和Al相的應(yīng)變，結(jié)果表明Fe相應(yīng)變?yōu)?.1142，Al相應(yīng)變?yōu)?/p>

5、-0.1961，說(shuō)明Fe相膨脹，Al相收縮，這與利用xRD圖譜計(jì)算結(jié)果一致。這也為“二原子模型”在機(jī)械合金化金屬問化合物領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。 利用TEM、HREM、SEM等顯微分析手段，對(duì)碳納米管自身的結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，所用碳納米管純度比較高，直徑在40～60nm，長(zhǎng)度為幾微米到幾十微米，長(zhǎng)徑比大于100。納米管本身不是很直，存在扭折、彎曲等缺陷。 采用不同的燒結(jié)方法包括真空熱壓和快速等離子

6、體燒結(jié)，獲得了致密的碳納米管/鐵鋁金屬間化合物復(fù)合材料。在放電等離子體燒結(jié)過(guò)程中，碳納米管的加入使燒結(jié)致密化曲線上移，燒結(jié)速度提高，即碳納米管的加入加速了復(fù)合材料燒結(jié)過(guò)程的傳質(zhì)，提高了燒結(jié)效率。Fe<,3>Al的晶粒生長(zhǎng)活化能為Q=169 kJ/mol，低于熱壓燒結(jié)Fe<,3>Al的表觀活化能(212 kJ/mol)，這是由于等離子體對(duì)顆粒表面的活化和凈化作用，降低了顆粒的表觀活化能，促進(jìn)了燒結(jié)過(guò)程的擴(kuò)散，晶粒的生長(zhǎng)速度快于普通的熱壓燒

7、結(jié)。碳納米管添加入到Fe<,3>Al金屬間化合物基體中可以很好地促進(jìn)復(fù)合材料燒結(jié)，降低復(fù)合材料燒結(jié)溫度，這主要?dú)w因于金屬間化合物粉體火花放電和碳納米管的“尖端放電”的耦合效應(yīng)。 在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試與分析，當(dāng)碳納米管含量為3vol﹪時(shí)，復(fù)合材料的斷裂韌性達(dá)到40MPa·m<'1/2>，約為純Fe<,3>Al的(25 MPa·m<'1/2>)1/6倍。這個(gè)韌性對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來(lái)說(shuō)是相當(dāng)高的，其增長(zhǎng)幅度在已報(bào)道的金屬間

8、化合物基復(fù)合材料中也是居于前列。與斷裂韌性相對(duì)比，復(fù)合材料的壓縮屈服強(qiáng)度也有明顯的改善，并且當(dāng)碳納米管的含量超過(guò)3﹪時(shí)，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度雖然有所下降，但仍然高于基體的強(qiáng)度。對(duì)顯微組織的觀察和分析結(jié)果顯示，除了添加的碳納米管外，在Fe<,3>Al金屬間化合物基體中彌散著微量的納米Al<,2>O<,3>粒子，主要是由于操作時(shí)引入的氧造成的。Fe-Al金屬間化合物存在有序化程度不均勻現(xiàn)象，大部分區(qū)域?yàn)榫哂蠨O<,3>結(jié)構(gòu)的：Fe<,3>ml

9、組織，同時(shí)存在少量的B2結(jié)構(gòu)。碳納米管在燒結(jié)過(guò)程中以其獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)和多層壁結(jié)構(gòu)保持下來(lái)，并且與基體良好的界面結(jié)合，有利于耦合兩者的物理性能，從而改善了金屬間化合物基體的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，碳納米管與基體之間具有良好的界面結(jié)合，這是其強(qiáng)度提高的內(nèi)在因素。而斷裂韌性的提高的機(jī)制主要有：碳納米管的拔出、橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)以及碳納米管形成交叉簾布結(jié)構(gòu)等。 利用交變梯度樣品磁強(qiáng)計(jì)(AGM)對(duì)復(fù)合材料的磁學(xué)性能進(jìn)行了研究，磁滯回線表明材料

10、具有優(yōu)良軟磁性能，放電等離子體燒結(jié)的碳納米管含量為3vol﹪的CNT/Fe<,3>Al金屬間化合物基復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度為103/59emu/g，矯頑力達(dá)到24/32Oe。隨著碳納米管含量的變化，復(fù)合材料的矯頑力變化遵循三次四項(xiàng)式?；趥鹘y(tǒng)的磁滯機(jī)理，發(fā)展了具有圓柱形狀雜質(zhì)的含雜理論，結(jié)合應(yīng)力理論，給出了復(fù)合材料的矯頑力的表達(dá)式，不同體積含量的碳納米管的復(fù)合材料的磁滯機(jī)理由含雜理論和應(yīng)力理論協(xié)同控制。復(fù)合材料的室溫電學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，電

11、導(dǎo)率隨碳納米管含量增加而降低，碳納米管的功函數(shù)與Fe<,3>Al的費(fèi)米能級(jí)之間存在著差異，這樣在這些相界處形成很高的勢(shì)壘。這個(gè)勢(shì)壘阻礙了載流子在Fe<,3>Al與碳納米管之間的傳輸，從而引起電導(dǎo)率降低。另外，碳納米管自身的缺陷(彎曲或曲折)、在熱壓過(guò)程中碳納米管的分布以及碳納米管的接觸電阻都在一定程度上對(duì)電子散射造成影響，從而降低了復(fù)合材料的電導(dǎo)率。基于金屬薄膜F-S理論和二流體模型對(duì)復(fù)合材料的電導(dǎo)率進(jìn)行了模擬，當(dāng)晶界散射系r趨于零時(shí)，

12、實(shí)驗(yàn)值和模擬值吻合比較好，這表明復(fù)合材料中晶界散射對(duì)材料的電阻率的影響可以忽略。 總結(jié)以上研究成果，本論文首次對(duì)CNT/Fe<,3>Al金屬間化合物基復(fù)合材料的制備、微觀結(jié)構(gòu)、物理性能(力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能)進(jìn)行了研究，為該材料的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)。CNT/Fe<,3>Al金屬間化合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理性能：較高的斷裂韌性、屈服強(qiáng)度，良好的軟磁性能、電學(xué)性能，使其可應(yīng)用于對(duì)復(fù)合材料綜合性能應(yīng)用較高的工作場(chǎng)合，如作