碳纳米管表面化学镀镍及其混杂增强铝基复合材料研究

论文摘要

本文研究了多壁碳纳米管表面镀镍工艺及涂层组织,探讨了碳纳米管与硼酸铝晶须混杂增强2024铝合金复合材料的制备、组织与性能。采用化学镀方法在混酸处理后的多壁碳纳米管表面成功制备了均匀的金属镍镀层,利用TEM、XRD、XPS、SEM等研究了镀层组织结构以及碳镍相互作用;采用挤压铸造方法制备混杂增强复合材料,利用OM、SEM、拉伸试验、硬度试验等分析了复合材料的组织、性能及其断裂方式。通过化学镀方法,在pH8.25和pH9.5两种条件下均在碳纳米管表面得到了连续、均匀的涂层。SEM、EDS、XPS分析表明,经混酸处理的多壁碳纳米管敏化、活化后在碳纳米管表面分别引入了Sn2+和Pd。pH9.5条件下碳纳米管表面涂层沉积速度快于pH8.25条件下,得到的涂层更致密。两种条件下涂层均呈颗粒状或絮状。XRD分析表明涂层包含有30%左右的晶体镍,其余镍由于溶解过量的P而呈非晶状态,此外还含有少量的Ni（OH）2。XPS分析表明,碳纳米管表面涂覆金属镍后,C1s峰形状改变,原因在于产生了碳镍相互作用,并且在pH9.5条件下得到的涂覆碳镍相互作用大于pH8.25条件下。碳纳米管表面涂覆金属镍后促进了碳纳米管在混杂复合材料中的均匀分布,同时采用挤压铸造方法能够制备晶须含量达20%,碳纳米管含量达5%的混杂增强2024铝复合材料。对预制块分析表明,碳纳米管含量小于2.1%时,碳纳米管在预制块中呈较好分散状态,达到5%时产生严重团聚;然而涂覆镍的碳纳米管在含量5%条件下仍呈良好分散状态。采用涂覆金属镍的碳纳米管制备的混杂复合材料致密度高。碳纳米管的加入对基体金属起到了较好的强韧化作用。XRD分析未发现碳纳米管与基体的反应产物,但硼酸铝晶须与基体金属发生了一定程度的界面反应。测试表明,发现随着碳纳米管含量的增加,复合材料的硬度、抗拉强度、弹性模量都有提高。对碳纳米管进行化学镀镍后制备的复合材料硬度、抗拉强度、弹性模量都达到了最大值。复合材料的断裂主要是晶须的拔出或拔断,同时有碳纳米管的拔断和桥接。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 碳纳米管的研究现状
• 1.2.1 碳纳米管的特性与力学性能
• 1.2.2 碳纳米管表面化学镀的研究进展
• 1.2.3 碳纳米管复合材料的研究
• 1.2.4 碳纳米管金属基复合材料的性能特点
• 1.3 碳纳米管增强金属基复合材料存在的问题
• 1.3.1 碳纳米管在金属基体中均匀分散
• 1.3.2 碳纳米管与金属基体的润湿问题
• 1.3.3 界面结合方式
• 1.3.4 增强机制
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 材料及实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 多壁碳纳米管
• 2.1.2 化学镀所用主要试剂
• 2.1.3 复合材料基体材料
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 碳纳米管表面化学镀镍
• 2.2.2 碳纳米管混杂增强复合材料制备
• 2.3 实验所需设备
• 2.3.1 磁力搅拌器
• 2.3.2 抽滤分离设备
• 2.3.3 超声波分散仪
• 2.3.4 真空炉
• 2.3.5 复合材料挤压铸造设备
• 2.3.6 金相组织观察
• 2.3.7 透射电镜形貌组织观察
• 2.3.8 扫描电子显微镜分析
• 2.3.9 X 射线光电子能谱分析
• 2.3.10 X 射线物相分析
• 2.3.11 差热扫描分析
• 2.4 碳纳米管复合材料性能测试
• 2.4.1 硬度测试
• 2.4.2 室温力学性能测试
• 第3章 碳纳米管表面化学镀镍工艺及涂层组织分析
• 3.1 碳纳米管表面化学镀镍的机理及工艺
• 3.1.1 碳纳米管表面镀镍机理
• 3.1.2 碳纳米管化学镀镍的溶液及影响因素
• 3.2 碳纳米管化学镀镍的工艺
• 3.3 碳纳米管表面化学镀镍层的形貌
• 3.4 碳纳米管镀镍后的微观组织分析
• 3.4.1 pH8.25 条件下碳纳米管表面化学镀镍
• 3.4.2 pH9.5 条件下碳纳米管表面化学镀镍
• 3.4.3 碳纳米管表面化学镀镍后的物相分析
• 3.5 碳纳米管表面化学镀镍后的X 射线光电子能谱分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 （ABOw+CNTs）/2024Al 混杂增强复合材料制备
• 4.1 预制块的制备
• 4.1.1 粘结剂的制备
• 4.1.2 预制块制备工艺
• 4.1.3 预制块的烘干
• 4.1.4 预制块的烧结
• 4.2 （ABOw+CNTs）/2024Al 混杂增强复合材料制备工艺
• 4.2.1 挤压铸造过程浸渗可行性分析
• 4.2.2 挤压铸造法制备混杂增强复合材料的温度选择
• 4.3 复合材料挤压铸造过程分析
• 4.3.1 混杂预制块中碳纳米管分布分析
• 4.3.2 挤压铸造后复合材料体积分数变化
• 4.4 复合材料中碳纳米管的分布均匀性
• 4.5 本章小结
• 第5章 （ABOw+CNTs）/2024Al 复合材料的组织与性能
• 5.1 复合材料的微观组织
• 5.2 复合材料的力学性能
• 5.2.1 复合材料的硬度
• 5.2.2 复合材料的拉伸性能
• 5.2.3 复合材料的弹性模量
• 5.2.4 复合材料的延伸率
• 5.3 复合材料的断裂特性
• 5.4 复合材料断裂过程分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢