化学气相沉积原位合成碳纳米管增强钛基复合材料

论文摘要

碳纳米管（CNTs）作为一维纳米材料,其高模量、高强度及综合性能是复合材料的理想增强体。利用CNTs为增强体制备钛基复合材料,探索新的CNTs增强钛基复合材料的制备工艺并研究其对材料性能的影响,对开发CNTs的应用领域和改善钛合金的性能,具有重要的理论意义和实用价值。本论文首次通过沉积-沉淀法制备Ni/Ti催化剂,采用化学气相沉积法在钛粉基体上原位合成了CNTs/Ti复合粉末。研究了催化剂Ni含量、还原温度、CNTs合成温度、载气类别及反应气与载气比例对CNTs生长的影响,并探讨了CNTs的生长机理。结果表明,催化剂含量和反应合成温度等因素对CNTs的形成有重要影响。当催化剂Ni含量为3wt%,合成温度为550℃时,甲烷裂解可得到形貌、产率、纯度最佳的CNTs产物,从而实现了在Ti粉基体上原位合成CNTs的目的,该工艺为CNTs/Ti复合材料的制备提供了新的途径。以合成的复合粉末为原料,采用粉末冶金法制备了CNTs/Ti复合块体材料,并对其进行密度、硬度测试。采用干磨法对复合材料进行了摩擦磨损实验,并与金属钛和钛镍合金的耐磨性能进行了对比。结果表明,CNTs的加入使CNTs/Ti复合材料的耐磨性能提高,随磨擦时间和加载载荷的增加,CNTs/Ti复合材料磨损量的增加速率低于金属钛,在摩擦不同阶段,出现了磨粒磨损、氧化磨损等特征。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外钛基复合材料的研究概况
• 1.1.1 钛基复合材料的研究现状
• 1.1.2 钛基复合材料的基体和增强体的选择
• 1.2 碳纳米管简介
• 1.2.1 碳纳米管的发现
• 1.2.2 碳纳米管的分类和微观结构
• 1.2.3 碳纳米管的性能
• 1.2.4 碳纳米管的制备方法
• 1.2.5 碳纳米管的应用与发展
• 1.3 原位合成钛基复合材料制备方法与性能
• 1.3.1 原位合成钛基复合材料的制备方法
• 1.3.2 原位合成钛基复合材料的性能
• 1.3.3 原位合成碳纳米管/钛基复合材料研究意义
• 1.4 碳纳米管/钛基复合材料的摩擦磨损性能研究
• 1.4.1 摩擦磨损机理
• 1.4.2 钛合金和钛基复合材料耐磨性研究意义
• 1.5 本论文工作的意义及主要研究内容
• 第二章 实验材料、仪器及分析方法
• 2.1 实验材料和方法
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 原位合成CNTs/Ti 复合粉末的制备工艺
• 2.1.3 CNTs/Ti 复合块体及金属钛块体材料的制备
• 2.2 实验仪器及用途
• 2.2.1 样品制备仪器与设备
• 2.2.2 试样结构及性能分析仪器与设备
• 2.3 实验测试方法
• 2.3.1 CNTs 的产率和含量的测定
• 2.3.2 密度的测试
• 2.3.3 硬度测试
• 2.3.4 碳纳米管拉曼光谱表征
• 2.3.5 摩擦磨损性能测试
• 第三章 原位合成CNTs/Ti 复合粉末制备工艺及生长机理研究
• 3.1 原位合成CNTs/Ti 复合粉末制备工艺研究
• 3.1.1 合成温度的影响
• 3.1.2 催化剂镍含量的影响
• 3.1.3 催化剂前驱体还原温度的影响
• 3.1.4 反应气与载气比例对最终产物的影响
• 3.1.5 载气类别与温度对反应产物的影响及其与温度的关系
• 3.2 CNTs 生长机理研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 CNTs/Ti 复合材料制备与性能
• 4.1 CNTs/Ti 复合块体的制备工艺
• 4.1.1 复合材料粉末的制备
• 4.1.2 材料的成型
• 4.1.3 材料的烧结
• 4.2 CNTs/Ti 复合块体材料的密度
• 4.3 CNTs/Ti 复合块体材料的微观组织形貌
• 4.4 CNTs/Ti 复合块体材料的硬度
• 4.5 CNTs/Ti 复合块体材料的摩擦磨损性能研究
• 4.5.1 不同磨擦时间下材料的磨损性能
• 4.5.2 不同载荷下的磨损性能
• 4.5.3 TiNi 合金与CNTs/Ti 复合材料摩擦磨损性能的比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 全文结论和创新点
• 5.1 全文结论
• 5.2 工作创新点
• 5.3 本工作的发展建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢