化學(xué)氣相沉積法原位合成碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料.pdf

1、碳納米管（CNTs）因具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等特性而受到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域研究者的關(guān)注，同時(shí)在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域也引發(fā)了新的研究熱點(diǎn)。作為金屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體，要發(fā)揮CNTs優(yōu)異的性能，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是如何獲得CNTs在金屬基體中分散均勻、結(jié)構(gòu)保持完好且CNTs與基體之間界面結(jié)合良好的復(fù)合材料。而傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)難以滿足這一要求，因此，尋求新的制備技術(shù)以克服現(xiàn)有方法的不足，是發(fā)展CNTs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵。本研究

2、采用在鋁基體上原位合成CNTs方法制備了CNTs（Ni）/Al復(fù)合材料。首先采用沉積-沉淀法在鋁粉基體上獲得均勻分散的活性Ni納米顆粒，以該Ni/Al粉末為催化劑，利用化學(xué)氣相沉積法原位合成形態(tài)好、純度高、分散均勻的CNTs，即獲得CNTs（Ni）/Al復(fù)合粉末，并直接利用此復(fù)合粉末采用粉末冶金的方法來制備復(fù)合材料。 ⑴通過沉積-沉淀工藝和化學(xué)氣相沉積工藝分別制備了Ni/Al催化劑與CNTs（Ni）/Al復(fù)合粉末，研究了還原溫度

3、對(duì)Ni顆粒粒徑的影響，系統(tǒng)探索了化學(xué)氣相沉積工藝對(duì)CNTs產(chǎn)率、形貌與結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：鋁可以作催化劑載體，并能有效防止Ni納米顆粒的團(tuán)聚；CNTs的形貌、結(jié)構(gòu)與原位合成工藝條件密切相關(guān)，當(dāng)催化劑中Ni含量較低，還原溫度400℃、還原時(shí)間2h，合成溫度630℃，反應(yīng)氣氛比例VN2： VH2： VCH4=480：120：60（ml/min）時(shí)，制備的CNTs形態(tài)好、純度高且在鋁粉中分散均勻；CNTs生長(zhǎng)過程中Ni催化劑與鋁基體之間作用

4、力較弱，其生長(zhǎng)屬于頂端生長(zhǎng)機(jī)制。 ⑵采用差熱分析儀、X射線衍射儀和透射電子顯微鏡分析了原位合成CNTs（Ni）/Al復(fù)合粉末及其復(fù)合材料塊體發(fā)生相變的溫度范圍，研究了退火對(duì)CNTs-Al界面結(jié)構(gòu)的影響，考察了CNTs在復(fù)合粉末和復(fù)合材料中的熱穩(wěn)定性及其與鋁基體之間的界面浸潤(rùn)情況，進(jìn)而探討了CNTs-Al的界面潤(rùn)濕理論。結(jié)果表明：復(fù)合粉末中CNTs在退火溫度低于800℃基本不與鋁發(fā)生反應(yīng)，只是CNTs表面的無定形碳薄層與鋁反應(yīng)生成

5、Al4C3薄層；復(fù)合材料塊體經(jīng)過850℃退火后CNTs與鋁基體之間界面結(jié)合好，且CNTs結(jié)構(gòu)保持好；CNTs與鋁基體間的界面反應(yīng)潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)主要是通過Al4C3薄層沿著CNTs軸向長(zhǎng)大進(jìn)行的；CNTs與鋁基體間Al4C3薄層的形成，有利于改善CNTs-Al界面浸潤(rùn)性，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，從而提高CNTs（Ni）/Al復(fù)合材料的載荷傳遞效率和力學(xué)性能。 ⑶采用粉末冶金工藝對(duì)原位合成CNTs（Ni）/Al復(fù)合粉末進(jìn)行壓制-燒結(jié)后制備了C

6、NTs（Ni）/Al復(fù)合材料。研究了成型工藝、燒結(jié)溫度、時(shí)間和復(fù)壓對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響，獲得了優(yōu)化的粉末冶金工藝參數(shù)。同時(shí)，研究了CNTs含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和微觀組織的影響，并探討了復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理。結(jié)果表明：原位合成法引入的CNTs能顯著提高復(fù)合材料的硬度、拉伸強(qiáng)度和彈性模量。當(dāng)CNTs含量為5wt％時(shí)，復(fù)合材料的硬度和拉伸強(qiáng)度較純鋁基體分別提高180％和300％，與傳統(tǒng)高能機(jī)械球磨法制備的復(fù)合材料的硬度和拉伸強(qiáng)度相比

7、，分別提高約100％和86％；復(fù)合材料的強(qiáng)化主要來自CNTs與鋁基體熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的基體加工硬化，CNTs對(duì)鋁基體變形的約束和對(duì)鋁基體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙產(chǎn)生的位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。 ⑷采用化學(xué)氣相沉積法在Ni含量較高的Ni/Al催化劑中合成了碳納米洋蔥結(jié)構(gòu)相（CNOs）。探討了化學(xué)氣相沉積工藝對(duì)CNOs產(chǎn)率、形貌與結(jié)構(gòu)的影響，考察了CNOs的純化、磁性能和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：以氫氣作載氣時(shí)制得純度高且具有超順磁性的內(nèi)包鎳納