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挤压铸造CNTs+SiCw/6061Al复合材料的制备与性能研究

作　者: 于天明
导　师: 张学习
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 铝基复合材料挤压铸造碳纳米管界面结合力学性能摩擦磨损性能
分类号: TG249.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文采用挤压铸造法制备碳化硅晶须与碳纳米管混杂增强6061Al复合材料,并对复合材料进行热挤压变形。采用金相显微镜（OM）、SEM、XRD分析了复合材料显微组织和物相组成,采用差式扫描量热法（DSC）测试分析了碳纳米管与铝的反应条件,测试了复合材料的压缩性能、拉伸性能、摩擦磨损性能、热膨胀系数和阻尼特性。SEM观察表明预制块中碳纳米管和碳化硅晶须分布均匀,挤压铸造法实现了预制块的良好浸渗,OM分析表明,铸态复合材料中存在夹铝带、未完全浸渗金属区和孔洞,热挤压后夹铝带和未完全浸渗区沿挤压方向拉长,孔洞减少,增强体分布更均匀。在铝合金熔化温度以上和以下温度,碳纳米管都与铝基体发生界面反应,生成Al₄C₃。铝合金熔化条件下碳纳米管与6061Al的反应激活能大于与2024Al合金的激活能。低于熔化温度下界面反应可控,在580°C保温65min条件下后界面结合状态改善,同时碳纳米管损伤不明显。常温下干摩擦磨损试验表明,外加载荷对材料的磨擦系数影响不明显,载荷增大摩擦系数缓慢降低;载荷增大磨损率急剧增大。热挤压态复合材料经不同热处理对其摩擦磨损性能有较大程度的影响,保温处理的材料有最好的摩擦磨损性能。保温态和保温+时效态的复合材料耐摩擦磨损性能大幅优于时效处理的6061Al。复合材料的磨损机理,可以分为轻微磨损阶段、机械混合层形成阶段（黏着、氧化磨损为主）和机械混合层剥落三个阶段。热挤压态复合材料经过保温和时效处理后压缩强度和抗拉强度显著提高,同时压缩率或断裂延伸率也提高;断口观察表明,热挤压态、保温态和保温+时效态复合材料断口中碳纳米管团聚区减少、碳纳米管与基体界面脱粘减弱,与此同时碳纳米管断裂数量增多、韧窝数量增大,这说明碳纳米管与铝基体界面结合强度提高是导致其力学性能改善的主要原因碳纳米管团聚情况不同的A、B复合材料热膨胀规律不同。铸态A材料中碳纳米管团聚较多,保温处理后热膨胀系数降低;热挤压态B材料中碳纳米管团聚较少,进一步保温处理后热膨胀系数升高;热挤压、热挤压+保温、热挤压+保温+时效处理三种状态复合材料的阻尼-温度谱有着相同的变化规律,低于拐点温度（235℃）时阻尼随温度变化不明显,高于拐点温度后阻尼随温度升高迅速上升;相同温度、相同频率下热挤压+保温、热挤压+保温+时效处理两种状态复合材料的阻尼值要比单纯热挤压态的低;相同应变下,热挤压+保温、热挤压+保温+时效处理两种状态复合材料的阻尼值要比单纯热挤压态的高。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-26
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 碳纳米管增强金属基复合材料制备方法  12-18
    1.2.1 粉末冶金方法  12-15
      1.2.1.1 机械合金化和烧结  12-13
      1.2.1.2 机械混合和热变形方法  13-14
      1.2.1.3 放电等离子烧结法  14
      1.2.1.4 混合粉末的变形方法  14-15
    1.2.2 凝固方法  15
      1.2.2.1 铸造法  15
      1.2.2.2 压力渗透法  15
    1.2.3 热喷涂方法  15-17
      1.2.3.1 等离子喷涂和高速氧燃料喷涂  15-16
      1.2.3.2 冷喷涂  16-17
    1.2.4 电化学方法  17-18
      1.2.4.1 电沉积  17
      1.2.4.2 化学沉积  17-18
  1.3 碳纳米管增强金属基复合材料的力学性能  18-20
    1.3.1 Al-CNT 复合材料  18-19
    1.3.2 Copper-CNT 复合材料  19
    1.3.3 Ni-CNT 复合材料  19
    1.3.4 Mg-CNT 复合材料  19-20
    1.3.5 其它金属-CNT 复合材料  20
  1.4 CNT 增强金属基复合材料物理性能  20-22
    1.4.1 电性能  20-21
    1.4.2 热性能  21
    1.4.3 摩擦磨损性能  21-22
  1.5 CNT 与金属基体的界面及其在基体中的分散  22-24
    1.5.1 CNT 增强金属基复合材料界面现象  22-23
    1.5.2 CNT 在金属基体中的分散  23-24
  1.6 CNT 在复合材料中的强化机制  24
  1.7 本文研究内容  24-26
第2章材料及试验方法  26-44
  2.1 预制块制备  26-33
    2.1.1 实验原料  26-27
    2.1.2 预制块的制备方法  27-28
    2.1.3 预制块中CNTs 与SiCw 分布  28
    2.1.4 预制块的压缩强度  28-33
  2.2 复合材料制备方法  33-34
  2.3 铸态复合材料组织  34-37
  2.4 挤压态复合材料组织  37-40
  2.5 6061Al 和复合材料的铸态与热挤压态布氏硬度  40-41
  2.6 实验设备  41-44
    2.6.1 材料制备所需实验设备  41-42
    2.6.2 形貌及成分分析所需实验设备  42
    2.6.3 硬度测试所需实验设备  42
    2.6.4 摩擦磨损试验  42-44
第3章复合材料中界面反应和界面强度  44-55
  3.1 碳纳米管与铝反应条件研究  44-49
  3.2 铸态复合材料A 保温处理后的断口形貌  49-52
  3.3 热挤压态材料界面结合状态调整  52-54
  3.4 本章小结  54-55
第4章复合材料的干摩擦磨损性能  55-68
  4.1 试验材料与试验方法  55-56
  4.2 试验结果与分析  56-67
    4.2.1 载荷对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响  56-58
    4.2.2 热处理状态对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响  58-61
    4.2.3 磨损表面形貌分析  61-65
    4.2.4 磨屑表面形貌与成分分析  65-67
    4.2.5 CNTs+SiCw 增强铝基复合材料的干摩擦磨损机理  67
  4.3 本章小结  67-68
第5章复合材料的力学性能和热物理性能  68-82
  5.1 复合材料的力学性能  68-76
    5.1.1 复合材料B 的压缩性能  68-72
    5.1.2 复合材料的拉伸性能  72-76
  5.2 复合材料的热膨胀性能  76-78
  5.3 复合材料的阻尼性能  78-81
  5.4 本章小结  81-82
结论  82-84
参考文献  84-91
攻读学位期间发表的学术论文  91-93
致谢  93

挤压铸造CNTs+SiCw/6061Al复合材料的制备与性能研究

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