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碳纳米管增强铝镁合金复合材料制备研究

作　者: 陈亚光
导　师: 蔡晓兰
学　校: 昆明理工大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 碳纳米管 高能球磨 铝基复合材料 热压成型 强化机制
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


本文采用卧式高能搅拌球磨机制备了CNTs质量分数为0-5%的CNTs/Al-5wt%Mg复合粉末,然后采用粉末冶金法制备了CNTs/Al-5wt%Mg复合材料。对制备过程中所涉及的碳纳米管的纯化、球磨工艺对CNTs/Al-5wt%Mg复合粉末性能的影响、不同压制烧结热压工艺和CNTs掺杂量对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能的影响进行了系统地研究与分析,运用扫描电镜、X射线衍射、激光粒度检测仪和万能电子拉伸机以及布氏硬度等分析测试手段,测试了复合材料的室温力学性能,观察分析CNTs/Al-5wt%Mg复合材料的显微组织结构。最终对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料的强化机制进行了初步探讨。高能球磨可以有效的将CNTs均匀分散在CNTs/Al-5wt%Mg基体中,球磨过程中CNTs可以阻碍金属粉末的团聚和起到细化晶粒的作用。CNTs含量为3wt%时,所制备的复合粉末平均晶粒尺寸达到最小值为64.3nm。经过实验得到的最佳球磨工艺参数为：球料比25：1、搅拌轴转速800/1000rPm、球磨时间90min、过程控制剂2wt%。分别采用冷压-烧结工艺和热压烧结工艺制备CNTs/Al-5wt%Mg复合材料,研究了不同压制烧结工艺对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能的影响。结果表明,热压烧结工艺制备的CNTs/Al-5wt%Mg复合材料的性能优于冷压烧结工艺,最佳烧结工艺参数为：热压温度560℃、保压时间60min。CNTs的含量显著影响复合材料的力学性能,当CNTs的含量为2wt%时,CNTs/Al-5wt%Mg复合材料的硬度和抗拉强度都达到最大值,分别为：90.5HB和175.62MPa,与Al-5wt%Mg基体材料相比分别提高了42.39%和36.5%。对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料的断口形貌观察发现,CNTs与基体间界面结合良好,复合材料的断裂以碳纳米管的脱粘和拔出断裂为主。在CNTs/Al-5wt%Mg复合材料中发现有第二相A13Mg2析出,A13Mg2可以起到弥散强化的作用。对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料的强化机制进行探讨,初步认为其强化机制主要归因于载荷传递、细晶强化和弥散强化。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-32
  1.1 复合材料概述  8-10
    1.1.1 复合材料的定义  8
    1.1.2 复合材料的命名和分类  8-10
  1.2 金属基复合材料概述  10-11
  1.3 碳纳米管的研究  11-15
    1.3.1 碳纳米管的结构  11-12
    1.3.2 碳纳米管的性能  12-13
    1.3.3 碳纳米管的制备方法  13-14
    1.3.4 碳纳米管的纯化处理  14-15
  1.4 碳纳米管增强铝基复合材料的研究现状  15-23
    1.4.1 碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法  16-21
    1.4.2 碳纳米管增强机制  21-23
  1.5 高能球磨技术概述  23-28
    1.5.1 高能球磨设备  23-26
    1.5.2 卧式搅拌高能球磨机理  26-27
    1.5.3 卧式搅拌高能球磨工艺参数选择  27-28
  1.6 金属基复合材料界面的研究  28-30
    1.6.1 金属基复合材料界面的分类  28-29
    1.6.2 界面微观结构的研究  29-30
  1.7 本课题的主要研究内容及意义  30-32
    1.7.1 课题的研究意义  30-31
    1.7.2 课题研究的主要内容  31-32
第二章 材料及实验方法  32-40
  2.1 实验材料  32-33
    2.1.1 多壁碳纳米管  32
    2.1.2 基体材料  32-33
  2.2 实验设备  33-37
    2.2.1 回流装置  33-34
    2.2.2 高能球磨机  34
    2.2.3 真空抽滤机  34-35
    2.2.4 真空热压机  35
    2.2.5 激光粒度仪  35-36
    2.2.7 实验的工艺流程  36-37
  2.3 复合粉末及复合材料性能测试  37-39
    2.3.1 致密度测试  37
    2.3.2 硬度测试  37-38
    2.3.3 复合粉末粒度测试  38
    2.3.4 粉末松装密度的检测  38-39
    2.3.5 室温力学性能测试  39
  2.4 碳纳米管及复合材料微观结构分析表征  39-40
    2.4.1 X-射线衍射分析仪  39
    2.4.2 扫描电子显微镜分析  39-40
第三章 CNTs/Al-5%wtMg复合粉体的制备及性能研究  40-52
  3.1 碳纳米管的纯化处理研究  40-41
  3.2 球磨工艺对CNTs/Al-5%wtMg复合粉末性能的影响  41-47
    3.2.1 搅拌轴转速对CNTs/Al-5%wtMg复合粉末性能影响的研究  41-43
    3.2.2 球料比对CNTs/Al-5%wtMg复合粉末性能的影响  43-44
    3.2.3 球磨时间对CNTs/Al-5%wtMg复合粉末性能的影响  44-47
  3.3 过程控制剂对CNTs/Al-5%wtMg复合粉末性能的影响  47-49
  3.4 碳纳米管对CNTs/Al-5%wtMg复合粉末性能的影响  49-50
  3.5 本章小结  50-52
第四章 CNTs/Al-5wt%Mg复合材料的制备工艺及性能研究  52-74
  4.1 冷压-烧结工艺对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  52-57
    4.1.2 压制工艺对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  52-54
    4.1.3 烧结工艺对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  54-57
  4.2 热压工艺对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  57-60
    4.2.1 热压温度对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  58-59
    4.2.2 保压时间对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  59-60
  4.3 球磨工艺对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  60-64
    4.3.1 搅拌轴速度对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  60-62
    4.3.2 球磨时间对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能的影响  62-64
  4.4 CNTs掺杂量对CNTs/Al-5wt%Mg复合材料性能影响  64-66
  4.5 CNTs/Al-5wt%Mg复合材料断裂特征及强化机制探讨  66-71
    4.5.1 CNTs/Al-5wt%Mg复合材料断口分析  67
    4.5.2 碳纳米管与基体铝之间界面探讨  67-69
    4.5.3 碳纳米管强化机制探讨  69-71
  4.6 本章小结  71-74
第五章 结论与展望  74-76
  5.1 实验结论  74-75
  5.2 展望  75-76
致谢  76-78
参考文献  78-88
附录A 攻读硕士期间发表论文目录  88-90

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