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碳纤维/铜和CuO纳米线/碳纤维复合材料的制备及性能研究

作 者: 曾俊
导 师: 徐金城
学 校: 兰州大学
专 业: 材料物理与化学
关键词: 锡青铜基复合材料 碳纤维 摩擦磨损性能 CuO纳米线/碳纤维复合材料 吸波性能 光致发光性能
分类号: TB383.1
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


作者研究了粉末冶金方法制备的碳纤维增强无铅锡青铜基复合材料(基体成分质量分数:Sn 4%和Zn 6%其余为铜)的力学性能以及减摩擦抗磨损性能。并探讨了热氧化方法制备的CuO纳米线/碳纤维复合材料的磁性和吸波性能。(1)研究了镀铜时的PH值、镀铜时间和镀铜工艺次序对碳纤维表面镀铜薄膜质量的关系,制备了铜薄膜厚度约2μm质地均匀的镀铜碳纤维。基本解决了碳纤维与锡青铜基体之间润湿性差的问题,为制备高强度、耐磨损、减摩擦的碳纤维增强铜基复合材料奠定了坚实的基础。也为制备宽频、强吸收、轻质的纳米氧化物吸波复合材料提供了优良的前驱体。(2)通过温压、复压复烧的方式制备出了高致密度、高硬度、高抗拉强度和减摩耐磨的碳纤维增强锡青铜基复合材料。通过性能表征显示9%体积分数的碳纤维增强锡青铜基复合材料的硬度、抗拉强度、比磨损率、摩擦系数都优于ZQ663锡青铜合金。其中碳纤维体积分数为9%左右时,复合材料的硬度达到最大值HV138.2 MPa,与ZQSn663锡青铜合金的硬度相比提高了大约80%。复合材料的抗拉强度也达到了最大值302 MPa,与ZQSn663锡青铜合金的抗拉强度相比提高了大约68%。且复合材料的比磨损率只有ZQ663锡青铜合金的比磨损率的1%,摩擦系数也远小于ZQ663锡青铜合金。所制备的金属基复合材料,取代了锡青铜(ZQ663)基体中全部的铅和部分贵金属锡;使复合材料不仅对环境无害,而且降低了成本,节约了资源,是一种符合生态环境协调性要求的金属基复合材料。(3)通过热氧化的方法在400℃焙烧4 h条件下,制备了CuO纳米线/碳纤维复合材料,其纳米线长度从几百纳米到几个微米不等,直径在50 nm到100 nm不等。通过VSM在室温条件下表征,结果显示CuO纳米线/碳纤维复合材料表现出微弱的磁性。通过Agilent E8363BPNA矢量网络分析仪测试了50%质量分数的CuO纳米线/碳纤维复合材料在电磁波频率1~18 GHz范围内的电磁参数。其最强吸收在7.9 GHz,达到了-32 dB(吸收率>99.9%),厚度仅为1.8 mm。CuO纳米线/碳纤维复合材料在反射率分别小于-4 dB和-10 dB时,电磁波频率分别覆盖了2.5~18 GHz和3~16.4 GHz,满足了高频和宽频吸收的要求。反射率小于-20 dB(吸收率>99%)的条件下,吸收电磁频率也覆盖了3~9.8 GHz,满足了在低中频强吸收的需要。本试验制备的复合材料与报道的相同吸收率的材料相比,具有更薄的厚度。(4)通过热氧化方法在400℃的条件下,制备了CuO纳米线/钴/碳纤维复合材料。其中氧化铜薄膜的厚度约50 nm,钴薄膜的厚度约200 nm,涂层表面有稀疏的直径约10 nm的纳米线,其余部分以纳米小颗粒的形态存在。在外加磁场从-9000 Oe到9000 Oe的范围内,CuO/钴/碳纤维复合材料的饱和磁化强度达到了29.8 emu/g,大约是CuO/碳纤维复合材料饱和磁化强度的1 150倍。质量分数为30%的CuO纳米线/钴/碳纤维复合材料具有更低的反射率,且当厚度为2 mm和外加频率在10.75 GHz时,复合材料具有最低的反射率-42.7 dB(吸收率>99.9%)。当复合材料的厚度在1.3~2.2 mm的范围内,CuO纳米线/钴/碳纤维复合材料的强吸收(反射率<-10 dB,吸收率>90%)覆盖了频率8.72~18 GHz。在强吸收和相同厚度的前提条件下(反射率<-10 dB,吸收率>90%),CuO纳米线/钴/碳纤维复合材料具有较宽的吸收频率(3 GHz)。因此,CuO纳米线/钴/碳纤维复合材料是一种较优异的吸收材料。(5)通过热氧化方法在400℃合成了ZnO纳米片状结构。根据发光性能测试,结果表明了ZnO纳米片结构/碳纤维复合材料在325 nrn激发条件下表现的橙红光是由碳的间隙原子和锌的间隙原子所致,绿光由材料内部的氧空位产生。(6)结合粉末冶金和热氧化方法制备了纳米注射器结构和微米正四面体结构MgZnO。随着焙烧温度增高,MgZnO形貌发生了改变,发光谱也明显红移(从500 nm移向560 nm),这表明光致发光性能与其形貌密切相关。(7)通过粉末冶金和热氧化方法制备SnZnO材料并对其光致发光性能进行了研究。结果发现SnZnO为纳米纤维结构,其直径大约50 nm,长度大约60μm。在325 nm激发的条件下,纳米纤维结构的SnZnO在室温条件下激发出较强的绿光(493 nm)。(8)通过电化学沉积和热氧化方法制备了微米仙人球状CuO,并对其进行了表征。在350℃条件下热氧化4 h后薄膜表面合成了微米尺寸仙人球状CuO,球体表面为发散状的CuO纳米线,球体直径大约6微米。

全文目录


摘要  9-11
Abstract  11-14
第一章 综述  14-66
  1.1 碳纤维的研究进展  14-29
    1.1.1 概述  14-18
      1.1.1.1 碳纤维的分类  16
      1.1.1.2 碳纤维的性能  16-18
    1.1.2 国内发展状况  18-20
    1.1.3 国外发展状况  20-22
    1.1.4 碳纤维的应用  22-29
      1.1.4.1 碳纤维在航空航天等军事领域的应用  23-27
      1.1.4.2 碳纤维在民用飞机领域的应用  27
      1.1.4.3 碳纤维在体育休闲领域的应用  27
      1.1.4.4 碳纤维在土木建筑领域的应用  27-28
      1.1.4.5 碳纤维在工业及交通运输领域的应用  28-29
      1.1.4.6 碳纤维在能源及电子工业领域的应用  29
  1.2 复合材料  29-57
    1.2.1 金属基复合材料  31-48
      1.2.1.1 金属基复合材料的分类  32-34
      1.2.1.2 金属基复合材料的特点  34
      1.2.1.3 金属基复合材料的界面  34-36
        1.2.1.3.1 金属基复合材料的界面结合与界面类型  34-36
        1.2.1.3.2 金属基复合材料界面浸润与界面反应控制  36
      1.2.1.4 金属基复合材料的制备方法  36-42
      1.2.1.5 金属基复合材料的摩擦磨损性能  42-48
        1.2.1.5.1 摩擦磨损概述  42-43
        1.2.1.5.2 磨损的分类  43
        1.2.1.5.3 粘着磨损  43-46
        1.2.1.5.4 磨料磨损  46-47
        1.2.1.5.5 表面疲劳磨损  47
        1.2.1.5.6 氧化磨损  47-48
        1.2.1.5.7 微动磨损  48
    1.2.2 纳米氧化物/碳纤维复合吸波材料  48-57
      1.2.2.1 纳米吸波材料概述  48-50
      1.2.2.2 吸波材料的设计原理  50-54
        1.2.2.2.1 衰减原理  50-54
        1.2.2.2.2 匹配特性  54
      1.2.2.3 吸波材料的制备方法  54-57
        1.2.2.3.1 气相法  55
        1.2.2.3.2 液相法  55-56
        1.2.2.3.3 高能球磨法  56-57
  1.3 本文选题依据以及研究内容  57-61
    1.3.1 碳纤维增强铜基复合材料的研究背景  57
    1.3.2 碳纤维增强铜基复合材料研究的可行性  57-59
    1.3.3 纳米吸波材料  59-60
    1.3.4 试验的延伸  60-61
  参考文献  61-66
第二章 碳纤维表面处理  66-77
  2.1 概述  66
  2.2 碳纤维表面镀铜  66-74
    2.2.1 碳纤维的表面处理  66-69
    2.2.2 碳纤维的表面镀铜  69-74
      2.2.2.1 化学镀法在碳纤维表面镀铜  69-70
      2.2.2.2 镀液成分及工艺影响  70
      2.2.2.3 镀铜工艺的影响  70-74
  2.3 小结  74-75
  参考文献  75-77
第三章 碳纤维增强铜基复合材料的制备及性能测试  77-103
  3.1 碳纤维增强铜基复合材料的制备  77-80
    3.1.1 概述  77
    3.1.2 粉末冶金法制备碳纤维增强铜基复合材料  77-80
      3.1.2.1 混料  77-79
      3.1.2.2 压坯成型  79
      3.1.2.3 烧结  79-80
      3.1.2.4 复压复烧  80
  3.2 碳纤维增强铜基复合材料的力学性能  80-99
    3.2.1 密度测试  80-82
    3.2.2 硬度测试  82-83
    3.2.2 抗拉强度的测试  83-88
    3.2.3 碳纤维增强铜基复合材料的摩擦磨损性能  88-99
      3.2.3.1 实验仪器及实验方法  88-90
      3.2.3.2 磨损量的表示方法与结果分析  90-96
      3.2.3.3 摩擦磨损机理分析  96-99
  3.3 小结  99-100
  参考文献  100-103
第四章 纳米氧化物/碳纤维复合吸波材料制备及性能测试  103-133
  4.1 纳米氧化物/碳纤维复合吸波材料的制备  103-110
    4.1.1 概述  103-104
    4.1.2 热氧化法制备纳米氧化物/碳纤维复合吸波材料  104-110
      4.1.2.1 CuO纳米线/碳纤维复合材料的制备  104-108
      4.1.2.2 CuO纳米线/碳纤维复合材料的生长机理探讨  108-110
  4.2 CuO纳米线/碳纤维复合材料的吸波性能测试  110-123
    4.2.1 CuO纳米线/碳纤维复合材料的磁性测试  110-115
      4.2.1.1 磁性测试仪器  110-113
      4.2.1.2 磁性测试结果与分析  113-115
    4.2.2 CuO纳米线/碳纤维复合材料吸波性能的测试  115-123
      4.2.2.1 吸波性能的测试仪器  115-118
      4.2.2.2 吸波试样的制备  118
      4.2.2.3 吸波性能测试结果及分析  118-123
  4.3 CuO纳米线/钴/碳纤维复合材料的磁性测试  123-128
  4.4 小结  128-129
  参考文献  129-133
第五章 纳米结构氧化物的制备  133-151
  5.1 引言  133
  5.2 ZnO纳米片/碳纤维复合材料的合成与发光性能  133-136
  5.3 MgZnO的制备以及形貌表征和发光性能  136-140
  5.4 纳米纤维结构SnZnO的形貌表征及发光性能  140-143
  5.5 微米仙人球状CuO的制备与形貌表征  143-146
  5.6 小结  146-147
  参考文献  147-151
第六章 结论与展望  151-155
  6.1 结论  151-153
  6.2 展望  153-155
博士论文工作期间完成和发表的学术论文  155-156
博士论文工作期间参加的项目  156-157
致谢  157

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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