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无压渗透法制备纳米碳管增强铝基复合材料及其性能研究

作　者: 闵春燕
导　师: 张孝彬
学　校: 浙江大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 纳米碳管铝基复合材料无压渗透摩擦磨损
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

纳米碳管增强铝基复合材料具有广泛的应用前景,通过纳米碳管增强体与铝基体的复合,使材料具有了单组元所不具备的优良性能。无压渗透是指熔融的铝合金在无外力作用下,借助浸润导致的毛细管压力渗入预制件中,无压渗透技术是一种制备金属基复合材料的新方法。与传统的固态法和液态法相比,无压渗透具有工艺简单、成本低廉、制备的复合材料致密度高等特点。本论文利用该方法制备了纳米碳管增强铝基复合材料,初步探讨了熔融的铝液向增强预制件中渗透的工艺条件,并对该铝基复合材料的摩擦磨损性能进行了相关的研究。本文运用化学气相沉积（CVD）的方法制备了多壁纳米碳管,经超声分散处理后,用SEM、TEM以及Raman等对所制备的纳米碳管进行了表征。无压渗透法制备金属基复合材料存在的最大的困难是增强体与金属基体的浸润性问题。就本实验而言,最大的困难是CNTs/Al系统的润湿性差,导致熔融的铝液很难渗透进入增强材料中。为使渗透容易发生,本文主要采取了以下措施:1)在增强体中加入适量的Mg粉:2)加热过程中维持管式炉中有足够的氮气;3)提高渗透温度。复合材料的制备过程如下:首先将球磨好的预制粉末压制成块,然后在氮气流中将铝合金块和增强预制体加热至800℃,保温5小时,制备出CNTs增强的复合材料。用TEM、SEM、XRD和EDS测定了材料的成分和微结构,并系统地分析了无压渗透的影响因素和机理。研究结果表明,Mg能通过消耗预制块中颗粒与颗粒之间微小孔洞中的N₂、反应浸润和破坏氧化铝膜等机制改善Al液和增强体之间的浸润性。通过复合材料硬度测量和摩擦磨损实验,研究了不同纳米碳管质量分数对复合材料的硬度及摩擦磨损性能的影响。并用SEM观察复合材料断面的形貌。实验结果显示,纳米碳管均匀地分散于复合材料中,并且与铝基体结合良好;由于纳米碳管本身具有润滑作用,因此纳米碳管的加入使复合材料的摩擦系数和磨损率都随着纳米碳管含量的增加而减少。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-39
  §1.1 引言  10-11
  §1.2 纳米碳管概述  11-16
    1.2.1 纳米碳管的发现  11-12
    1.2.2 纳米碳管的性质  12-14
    1.2.3 纳米碳管的制备方法  14-16
      1.2.3.1 电弧法  14-15
      1.2.3.2 催化裂解法  15
      1.2.3.3 激光蒸发法  15-16
  §1.3 铝基复合材料  16-25
    1.3.1 铝的结构与性能  16-17
    1.3.2 铝基复合材料的发展  17
    1.3.3 各种增强型的铝基复合材料特性  17-18
    1.3.4 铝基复合材料的设计及其制备  18-24
      1.3.4.1 固态制造技术  19-21
      1.3.4.2 液态法  21-22
      1.3.4.3 新型制造技术  22-24
    1.3.4 纳米碳管在金属材料中的应用  24-25
  §1.4 无压渗透法  25-29
  §1.5 课题研究的主要内容和国内外发展现状  29-31
  参考文献  31-39
第二章研究内容及实验过程  39-47
  §2.1 研究内容  39-40
    2.1.1 纳米碳管的制备  39
    2.1.2 复合材料预制块的制备  39
    2.1.3 无压渗透过程及机理分析  39-40
    2.1.4 铝基复合材料摩擦磨损性能研究  40
    2.1.5 复合材料微观组织分析  40
  §2.2 实验过程  40-46
    2.2.1 纳米碳管的制备  41-42
    2.2.2 预制粉末的配制  42
    2.2.3 球磨混料  42-43
    2.2.4 预制粉末压制成型  43-44
    2.2.5 无压渗透制备纳米碳管增强铝基复合材料  44-46
  §2.3 本章小结  46-47
第三章纳米碳管增强铝基本复合材料的微结构分析  47-53
  §3.1 多壁纳米碳管的形貌  47-49
  §3.2 纳米碳管增强铝基复合材料的微结构  49-53
第四章无压渗透的影响因素及其机理分析  53-59
  §4.1 无压渗透的影响因素  53-54
  §4.2 无压渗透的机理分析  54-57
    4.2.1 无压渗透的热力学条件  54-56
    4.2.2 无压渗透前的孕育期  56
    4.2.3 无压渗透机制  56-57
  §4.3 本章小结  57-58
  参考文献  58-59
第五章 CNTS增强铝基复合材料的物理及摩擦磨损性能  59-68
  §5.1 纳米碳管增强铝基复合材料的物理性能  59
  §5.2 纳米碳管增强铝基复合材料的摩擦磨损性能研究  59-67
    5.2.1 实验的设备及条件  60-61
    5.2.2 复合材料的摩擦系数随CNTs质量分数的变化  61-64
    5.2.3 复合材料的磨损率随纳米碳管含量的变化  64-65
    5.2.4 铝基复合材料的磨损表面形貌  65-67
  §5.3 本章小结  67-68
结论  68-69
致谢  69-70
硕士期间发表的论文  70

无压渗透法制备纳米碳管增强铝基复合材料及其性能研究

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