碳纳米管在铝基体上原位合成及其复合材料的组织与性能

论文摘要

铝基复合材料具有密度低、尺寸稳定、比强度高、耐腐蚀性强、高温性能好等优点,在各工业领域具有广泛应用前景,是当前金属基复合材料研究开发的重点。碳纳米管（CNTs）管径小、长径比大、物理和化学性能优异,是复合材料的理想增强相,也成为新型铝基复合材料开发和CNTs应用研究的热点。但传统粉末冶金法机械混合或铸造法机械搅拌制备的CNTs/Al基复合材料存在CNTs团聚、破损和界面污染等问题,因此,开发新型复合材料制备工艺并研究相关的组织、性能是推动该材料应用的关键。本文采用原位合成工艺制备了CNTs增强铝基复合材料,即在铝基体中原位合成CNTs增强相基础上,对复合粉末中CNTs的结晶程度、氧化稳定性及不同结构CNTs-Al的异质界面结合特征进行研究,并对CNTs原位增强铝基复合材料的制备工艺、组织、性能和强化机制进行探讨。本文首次对Fe、Co、Ni催化剂在铝基体上低温化学气相沉积（CVD）合成CNTs的可行性和合成效果进行系统研究;在优选催化剂类型基础上,对金属铝与传统Al2O3陶瓷基体的CNTs合成效果进行了对比分析,并探讨了合成条件对CNTs形态、结构、结晶程度等的影响。结果表明:不同含量Ni催化剂都能够在铝基体上CVD稳定合成产率高、形态良好、晶化程度高的CNTs,但Fe/Al、Co/Al催化剂的CNTs原位合成效果不佳,即Ni是铝基体上CNTs原位合成的最佳催化剂类型;与Al2O3陶瓷基体相比,金属Al基体具有抑制Ni催化剂颗粒团聚的作用,可实现CNTs低温高产率的稳定合成;本实验条件下,600℃时Ni催化剂合成的CNTs结构和形态较好,是CNTs/Al复合粉末合成的最佳温度。对不同条件合成CNTs的氧化稳定性、结晶程度、界面反应程度进行了对比,发现了不同温度条件下可获得鱼骨状和管状结构的CNTs,探讨了鱼骨状和管状CNTs-Al异质界面的结构特征,并从固相反应热力学和动力学角度分析了Al4C3的形成机理和不同类型CNTs-Al界面反应差异的原因。对CNTs的氧化稳定性研究表明,Ni含量可对CNTs管径、结构缺陷和氧化稳定性产生作用从而影响其热稳定性,Ni含量越高,CNTs稳定性越差,因此,CNTs/Al原位复合粉末制备过程中应控制Ni含量在较低范围。对CNTs-Al界面结构的研究表明,低温合成的鱼骨状CNTs结晶程度低、结构缺陷多、化学稳定性差,导致鱼骨状CNTs-Al之间出现Al4C3脆性界面反应层;较高温度合成管状CNTs的石墨基面结构及较高的结晶程度使其具有良好化学稳定性,可与铝基体形成无不良界面反应的直接结合型界面。本文对合成的复合粉末采用粉末冶金法制备了CNTs/Al基复合材料,分别研究了冷压-烧结-复压和冷压-烧结-热挤压两种工艺对该复合材料物理和力学性能的影响,对其微观组织结构进行了深入分析并探讨了该复合材料的强化机制。物理性能方面,与纯铝相比,CNTs原位增强铝基复合材料在密度、热膨胀系数、抗软化温度方面具有明显优势,但过高的CNTs含量对复合材料致密度、高温稳定性有不利影响。力学性能方面,随CNTs含量升高,CNTs对铝基体强化作用先升后降,0.5wt%CNTs/Al基复合材料的硬度、弹性模量、抗拉强度等综合力学性能较佳,这是载荷传递、位错强化、弥散强化等强化机制综合作用的结果,但其强度提高的同时,塑性降低。此外,热挤压变形具有减少孔隙、改变铝基体晶粒取向、实现CNTs弥散分布等优点,使CNTs/Al基复合材料具有较好的综合物理和力学性能,是该新型复合材料制备的较佳工艺。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝基复合材料
• 1.2.1 铝基材料概述
• 1.2.2 铝基复合材料的基体
• 1.2.3 铝基复合材料的增强相
• 1.2.4 铝基复合材料的研究趋势
• 1.3 碳纳米材料
• 1.3.1 碳纳米管的结构、合成与特性
• 1.3.2 碳包覆金属纳米颗粒
• 1.4 碳纳米管/铝基复合材料
• 1.4.1 碳纳米管/金属基复合材料概述
• 1.4.2 碳纳米管/铝基复合材料的研究进展
• 1.4.3 碳纳米管/铝基复合材料的制备方法
• 1.4.4 碳纳米管/铝基复合材料的强化机制
• 1.5 本文的研究目的与研究内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 主要研究内容
• 第二章 实验材料、方法与设备
• 2.1 CNTs/Al 复合粉末的合成与分析
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 CNTs/Al 复合粉末的合成
• 2.1.3 粉末合成、检测设备及方法
• 2.2 CNTs/Al 基复合材料的制备与分析
• 2.2.1 实验原材料
• 2.2.2 CNTs/Al 基复合材料的制备
• 2.2.3 制备、检测设备及方法
• 第三章 铝基体上原位合成碳纳米管的研究
• 3.1 引言
• 3.2 催化剂类型对CNTs 合成效果的影响及机理
• 3.2.1 Fe/Al 催化剂的CNTs 合成效果
• 3.2.2 Co/Al 催化剂的CNTs 合成效果
• 3.2.3 Ni/Al 催化剂的CNTs 合成效果
• 3.2.4 Ni/A1203 催化剂的 CNTs 合成效果
• 3.2.5 CNTs 合成效果的对比与分析
• 3.3 工艺参数对CNTs 合成效果的影响及机理探讨
• 3.3.1 工艺参数对CNTs 合成效果的影响
• 3.3.2 合成温度的影响机理
• 3.4 Ni 填充CNTs 的表征和形成机理
• 3.4.1 Ni 填充CNTs 的TEM 表征
• 3.4.2 Ni 填充CNTs 的形成机理
• 3.5 本章小结
• 第四章 CNTs结晶程度及CNTs-Al异质界面结构的研究
• 4.1 引言
• 4.2 CNTs 结晶程度的研究
• 4.2.1 CNTs 的氧化稳定性
• 4.2.2 不同结构CNTs 的结晶程度
• 4.3 CNTs-Al 异质界面反应与结构的研究
• 4.3.1 CNTs-Al 异质界面反应的研究
• 4.3.2 CNTs-Al 异质界面结构的研究
• 4.3.3 CNTs-Al 异质界面反应差异的机理分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 CNTs原位增强铝基复合材料的组织性能及强化机理
• 5.1 引言
• 5.2 CNTs/Al 基复合材料的物理性能研究
• 5.2.1 CNTs/Al 基复合材料的密度
• 5.2.2 CNTs/Al 基复合材料的电导率
• 5.2.3 CNTs/Al 基复合材料的热膨胀系数
• 5.2.4 CNTs/Al 基复合材料的软化温度
• 5.3 CNTs/Al 基复合材料的力学性能研究
• 5.3.1 CNTs/Al 基复合材料的硬度
• 5.3.2 CNTs/Al 基复合材料的拉伸实验结果
• 5.4 CNTs/Al 基复合材料的微观组织结构与强化机制
• 5.4.1 CNTs/Al 基复合材料的微观组织分析
• 5.4.2 CNTs/Al 基复合材料的强化机制
• 5.5 本章小结
• 第六章 主要结论和创新点
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文与科研情况
• 致谢