硼掺杂碳纳米管的制备及其在镁基复合材料中的应用

论文摘要

碳纳米管（CNTs）凭借其超强的力学性能成为复合材料的理想增强体。镁及其合金作为基体的主要特点是密度低、比强度和比刚度高。对于CNTs增强镁基复合材料,CNTs与镁之间的界面的物理和化学特性对其性能起着核心作用。界面结构的优化和稳定决定了CNTs和镁性能能否充分发挥进而获得综合性能优异的复合材料。因此,研究CNTs和镁的界面性质和结合状态,对发展高性能镁基复合材料具有重要意义。本论文为改善CNTs与镁基体之间的界面结合性,分别采用高温气相法和固态气相法制备了硼掺杂CNTs（BCNTs）,然后采用超声和化学的方法对BCNTs和CNTs进行分散,在此基础上本实验通过粉末冶金结合热挤压的方法分别制备了BCNTs/Mg和CNTs/Mg复合材料。分别通过高温气化B2O3和B、固态气相法制备了硼掺杂CNTs,探讨了硼掺杂对CNTs形貌与结构的影响,并研究了CNTs的酸化处理对其硼原子掺杂比例的影响。采用XPS测试了硼原子的掺杂比例,采用TEM和Raman分析了BCNTs的形貌和结构。结果表明:采用高温气化B2O3或B的方法和固态气相法能有效实现对CNTs进行硼掺杂,但CNTs的酸化处理会降低硼原子的掺杂比例。采用3-磺丙基十六烷基二甲基铵分别对BCNTs和CNTs进行分散,然后通过粉末冶金结合热挤压法分别制备了BCNTs/Mg和CNTs/Mg复合材料,研究了BCNTs和CNTs含量以及硼掺杂对复合材料的显微组织、硬度、拉伸和压缩性能、摩擦磨损性能的影响,探讨了BCNTs和CNTs与镁基体的界面结合性。结果表明:表面活性剂能提高BCNTs和CNTs在基体中的分散性;随着CNTs含量的增大,CNTs/Mg显微硬度增大,抗拉强度、抗压强度呈峰值,延伸率则呈下降趋势,当CNTs含量为1.0wt.%时,复合材料的抗拉强度达最大值243.4MPa,抗压强度为434.8MPa。硼掺杂能改善CNTs与Mg基体的界面结合,有效提高材料的强度。当BCNTs含量为1.0wt.%时,BCNTs/Mg的抗拉强度和抗压强度分别为258.3MPa和473.2MPa,较CNTs/Mg分别提高了6.1%和8.8%,当BCNTs添加量达到1.5wt.%时,拉伸强度提高达18.7%。断口形貌观察表明CNTs在断口处呈拔出状态,而BCNTs被基体包覆,断口处呈拔断状态,说明硼掺杂改善了复合材料的界面结合性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 镁基复合材料
• 1.2.1 镁基复合材料的增强相
• 1.2.2 镁基复合材料的界面
• 1.2.3 镁基复合材料的制备方法
• 1.2.4 镁基复合材料的发展前景展望
• 1.3 碳纳米管（CNTs）增强镁基复合材料
• 1.3.1 CNTs
• 1.3.2 碳纳米管增强镁基复合材料界面的发展现状
• 1.3.3 CNTs 增强镁基复合材料面临的挑战及研究趋势
• 1.4 本研究工作的内容及意义
• 第二章 实验材料及设备
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 镁粉
• 2.1.2 碳纳米管（CNTs）
• 2.1.3 其他化学药品
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 材料的制备仪器
• 2.2.2 材料的表征设备
• 2.2.3 材料的性能检测设备
• 第三章 硼掺杂CNTs 的制备及表征
• 3.1 硼掺杂CNTs 的制备
• 2O₃'>3.1.1 高温气化B₂O₃
• 3.1.2 高温气化B
• 3.1.3 固态气相法
• 3.2 三种掺硼方法的热力学分析
• 2O₃'>3.2.1 高温气化B₂O₃
• 3.2.2 高温气化B
• 3.2.3 固态气相法
• 3.3 硼掺杂CNTs 的结构
• 3.4 本章小结
• 第四章 复合材料制备工艺参数的优化
• 4.1 引言
• 4.2 压制压力的优化
• 4.3 烧结温度的优化
• 4.4 本章小结
• 第五章 硼掺杂CNTs 增强镁基复合材料的力学性能
• 5.1 复合材料的制备工艺
• 5.2 BCNTs 和CNTs 在复合粉末中的分散
• 5.2.1 CNTs 在镁基体内的分布
• 19H₄₁NO₃S 分散CNTs 的机制'>5.2.2 C₁₉H₄₁NO₃S 分散CNTs 的机制
• 5.3 CNTs/Mg 复合材料的显微组织
• 5.4 CNTs/Mg 和BCNTs/Mg 复合材料的力学性能
• 5.4.1 显微硬度
• 5.4.2 拉伸性能
• 5.4.3 压缩性能
• 5.4.4 摩擦磨损行为
• 5.5 复合材料的界面研究
• 5.5.1 复合材料界面的微观形貌
• 5.5.2 复合材料的界面反应
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢