鎳磷納米碳管化學(xué)復(fù)合鍍層的力學(xué)性能研究.pdf

1、納米科技是20世紀(jì)80年代末剛剛產(chǎn)生并正在崛起的新技術(shù),納米材料是納米科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。納米材料中納米碳管因具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能,而成為世界性的納米材料領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)之一。論文一方面進(jìn)行納米碳管的制備和鎳磷-納米碳管復(fù)合鍍,研究納米碳管對(duì)鍍層組織、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響;另一方面從理論上用量子化學(xué)方法研究納米碳管與鎳磷基體間的界面結(jié)構(gòu),用有限元方法分析復(fù)合鍍層在單向拉伸時(shí)的細(xì)觀力學(xué)行為,以探討該復(fù)合鍍層的有關(guān)理論和應(yīng)用前景,

2、所得結(jié)果具有重要的理論意義和應(yīng)用參考價(jià)值。研究表明:用氨氣作還原氣體,以硝酸鎳為原料,制備鎳催化劑的最佳溫度范圍為700℃-800℃;而用氫氣作為還原氣體制備催化劑的最佳溫度為600℃-700℃。氨氣兼有載氣和還原氣體的雙重作用。以氨氣、乙炔為氣源可以采用一步法制備納米碳管,簡(jiǎn)化工藝和設(shè)備。和非晶態(tài)的Ni-P鍍層相比,納米碳管的加入使鍍層發(fā)生了由非晶向納米晶的轉(zhuǎn)化。這是因?yàn)殄円褐杏屑{米碳管時(shí),對(duì)磷有捕獲作用,使鍍層中的磷向納米碳管偏聚。

3、納米碳管的加入,使鍍層表面呈顆粒狀,納米碳管的含量越高,粒狀物越小,密度越大。對(duì)Ni-P-CNTs復(fù)合鍍?cè)嚇拥睦鞂?shí)驗(yàn)研究表明,Ni-P合金鍍層斷口為平整光滑的與拉伸方向垂直的脆性斷口。隨著鍍層中納米碳管含量的增加,鍍層的韌性增加,斷口上出現(xiàn)韌窩。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了Ni-P-CNTs復(fù)合鍍層靠近斷口的側(cè)面有波紋狀的裂紋群,并用有限元法從理論上作出了合理的解釋。隨CNTs含量的增加,Ni-P-CNTs復(fù)合鍍?cè)嚇拥挠捕?、最大延伸率和斷面收縮率增加

4、,因此,可以用加入納米碳管的方法改善復(fù)合材料的韌性;而抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)隨著納米碳管含量的增加而降低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,復(fù)合鍍層的彈性模量Ec,Ni-P鍍層的彈性模量Em與納米碳管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)mn滿足以下關(guān)系Ec=Em(1-Kmn)式中K為與界面結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù),本實(shí)驗(yàn)中其值等于3.3781;針對(duì)目前復(fù)合材料的強(qiáng)度表達(dá)式只考慮基體和增強(qiáng)體的現(xiàn)狀,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,本文認(rèn)為應(yīng)考慮界面對(duì)強(qiáng)度的影響,提出了界面強(qiáng)度因子的概念,此時(shí),

5、對(duì)于纖維三維隨機(jī)分布的復(fù)合材料的強(qiáng)度公式為σc=1/4Kσf(1-LC/(2L))Vf+σm*VmLC≤Lσc=K1τL/4dVf+σmVm Lc>L式中K和K1為界面強(qiáng)度因子,它可取正值也可為負(fù)值。取正值時(shí),增強(qiáng)纖維起到了增強(qiáng)作用;取負(fù)值時(shí),表明增強(qiáng)纖維削弱了基體的強(qiáng)度。用有限元法分析了在單向拉伸條件下,界面為機(jī)械結(jié)合或物理、化學(xué)結(jié)合時(shí)復(fù)合鍍層中的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。結(jié)果表明,最大應(yīng)力出現(xiàn)在納米碳管的端部,而最大應(yīng)變出現(xiàn)在納米碳管端部

6、相接觸的基體中。納米碳管位向,長(zhǎng)度,直徑以及納米碳管和基體的結(jié)合強(qiáng)度,都影響應(yīng)力、應(yīng)變分布。納米碳管排成陣列時(shí),在單向拉伸狀態(tài)下,在靠外側(cè)納米碳管端部以及和其接觸的基體中所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最大,在靠外側(cè)納米碳管端部的界面/基體中應(yīng)變最大;外力作用對(duì)靠外側(cè)納米碳管的影響較大,對(duì)內(nèi)側(cè)納米碳管的影響較小。對(duì)Ni-P-CNTs復(fù)合鍍層的界面進(jìn)行的量子化學(xué)研究表明,在化學(xué)鍍過程中,鎳、磷和納米碳管都可以成鍵,磷原子更容易在納米碳管周圍富集,使磷在納米碳