纳米碳管增强铝基复合材料的制备

论文摘要

铝基复合材料是金属基复合材料领域中一个重要研究方向,具有低密度、高强度、耐腐蚀和可操作性好等优点,可以广泛应用于生活中各个方面。纳米碳管以其优异的性能受到人们的广泛关注,具有低密度、高比强度、高比模量等性能,是制备复合材料的理想增强体。使用纳米碳管增强铝基复合材料具有广泛的应用前景,纳米碳管与铝基体的复合可以使材料具有单组元不具有的优异性能,这种材料有许多诱人的前景,如航空航天、汽车制造以及电子工业等目前使用高能球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料的研究较少,尤其缺乏对球磨制备过程中各个阶段特征的研究,大部分研究都集中在对制备出材料性能的描述上。制备纳米碳管增强铝基复合材料需要解决的问题有两个,一个是促使纳米碳管均匀分散在铝基体中,另一方面是提高纳米碳管与铝基体之间的润湿性,增强纳米碳管与铝基的界面结合。本文使用高能球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料,首先是复合粉末体的制备,研究了制备过程中各个参数对粉末形态的演变、粉末粒度的分布、纳米碳管形貌演变以及纳米碳管在铝基中的分布的影响,并研究了使用冷压、真空烧结工艺制备复合材料过程中各个参数对材料密度、布氏硬度以及抗拉强度的影响。使用Raman光谱研究了纳米碳管结构的变化,结合SEM和TEM分析了球磨过程对纳米碳管结构的影响,使用XRD分析球磨对所制备复合材料物相的影响,就如何增强界面结合进行了分析。实验结果表明,使用高能球磨法可以成功的制备纳米碳管增强铝基复合材料,不仅可以使得纳米碳管均匀分散于铝基体中,而且还可以增强纳米碳管与铝基的界面结合,球磨过程中球磨转速、时间、球料比对纳米碳管的分散和结构有重要影响,并且研究发现较少的掺杂量可以明显提高材料性能,但是过多的纳米碳管掺杂量会由于纳米碳管之间产生团聚现象而降低材料的性能,文章最后得出了纳米碳管增强铝基复合材料的最佳制备工艺。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料概述
• 1.1.1 复合材料的定义
• 1.1.2 复合材料的分类
• 1.1.3 复合材料的特点
• 1.2 金属基复合材料（MMCs）概述
• 1.3 铝基复合材料
• 1.3.1 铝的性质
• 1.3.2 铝基复合材料的设计
• 1.3.3 铝基复合材料的应用
• 1.4 纳米碳管概述
• 1.4.1 纳米碳管的结构
• 1.4.2 纳米碳管的性质及应用
• 1.5 纳米碳管增强铝基复合材料
• 1.5.1 纳米碳管增强铝基复合材料的制备方法
• 1.6 球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料
• 1.6.1 球磨过程简述
• 1.6.2 球磨对纳米碳管的影响
• 1.6.3 球磨对铝粉的影响
• 1.6.4 球磨对纳米碳管/铝粉的相互影响
• 1.7 纳米碳管增强铝基复合材料的强化机理
• 1.7.1 弥散强化
• 1.7.2 热不匹配性
• 1.7.3 剪切滞后
• 1.7.4 反应润湿
• 1.8 课题的目的、意义及研究内容
• 1.8.1 本课题提出的目的和意义
• 1.8.2 课题的研究内容
• 第二章 实验原料、仪器及测试方法
• 2.1 实验原材料与实验设备
• 2.1.1 实验原材料与试剂
• 2.1.2 实验设备
• 2.1.3 实验装置
• 2.2 工艺流程与模型
• 2.3 分析测试与表征
• 2.3.1 复合粉体粒径及松比检测
• 2.3.2 粉体形貌及EDS能谱检测
• 2.3.3 拉曼光谱的测定
• 2.3.4 XRD分析
• 2.3.5 密度及相对密度的测定
• 2.3.6 布氏硬度的测定
• 2.3.7 拉伸强度与延伸率的测定
• 第三章 纳米碳管/铝复合粉末的制备及微观分析
• 3.1 纳米碳管的预处理
• 3.2 不同纳米碳管对复合粉末的影响
• 3.3 球磨对铝粉片状化的研究
• 3.4 球磨对纳米碳管结构的影响
• 3.5 球磨工艺对复合粉末的影响
• 3.5.1 球磨转速对混合粉末的影响
• 3.5.2 球磨时间对混合粉末的影响
• 3.5.3 球料比对混合粉末的影响
• 3.6 纳米碳管含量对复合粉末的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 纳米碳管增强铝基复合材料制备工艺研究
• 4.1 不同纳米碳管对复合材料性能的影响
• 4.2 压制工艺对复合材料性能的影响
• 4.2.1 压制速度曲线的确定
• 4.2.2 保压时间对压坯致密度的影响
• 4.2.3 压制压力对压坯密度的影响
• 4.3 烧结工艺对复合材料性能的影响
• 4.3.1 烧结温度的影响
• 4.3.2 烧结时间的影响
• 4.3.3 升温速度曲线的确定
• 4.4 球磨工艺对复合材料的影响
• 4.4.1 球磨转速对复合材料的影响
• 4.4.2 球磨时间对复合材料的影响
• 4.4.3 球料比对复合材料的影响
• 4.5 纳米碳管含量对复合材料的影响
• 4.5.1 纳米碳管含量对复合材料密度和硬度的影响
• 4.5.2 纳米碳管含量对复合材料拉伸强度和延伸率的影响
• 4.5.3 纳米碳管含量不同时XRD图谱分析
• 4.6 纳米碳管增强铝基复合材料的显微组织形貌
• 4.7 纳米碳管与铝基界面反应的研究
• 4.7.1 铝碳化学反应热力学
• 4.7.2 纳米碳管与铝之间的反应
• 4.8 最佳制备条件
• 4.9 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 实验结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表论文目录