化学气相沉积法原位合成碳纳米管增强铝基复合材料

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1、摘要碳纳米管(CNTs)因具有优异的力学、电学和热学等特性而受到多个学科领域研究者的关注，同时在先进复合材料领域也引发了新的研究热点。作为金属基复合材料的理想增强体，要发挥CNTs优异的性能，需要解决的关键技术是如何获得CNTs在金属基体中分散均匀、结构保持完好且CNTs与基体之间界面结合良好的复合材料。而传统的金属基复合材料制备技术难以满足这一要求，因此，寻求新的制备技术以克服现有方法的不足，是发展CNTs增强金属基复合材料的关键。本论文首次采用在铝基体上原位合成CNTs方法制备了CNTs(Ni)／AI复合材料。首先采用沉积一沉淀法在

2、铝粉基体上获得均匀分散的活性Ni纳米颗粒，以该Ni／AI粉末为催化剂，利用化学气相沉积法原位合成形态好、纯度高、分散均匀的CNTs，即获得CNTs(Ni)／AI复合粉末，并直接利用此复合粉末采用粉末冶金的方法来制备复合材料。通过沉积．沉淀工艺和化学气相沉积工艺分别制备了Ni／AI催化剂与CNTs(Ni)／Ai复合粉末，研究了还原温度对Ni颗粒粒径的影响，系统探索了化学气相沉积工艺对CNTs产率、形貌与结构的影响。结果表明：铝可以作催化剂载体，并能有效防止Ni纳米颗粒的团聚；CNTs的形貌、结构与原位合成工艺条件密切相关，当催化剂中Ni含

3、量较低，还原温度400"(2、还原时间2h，合成温度630℃，反应气氛比例Vm：VH2：VcH4=480：120：60(ml／min)时，制备的CNTs形态好、纯度高且在铝粉中分散均匀；CNTs生长过程中Ni催化剂与铝基体之间作用力较弱，其生长属于顶端生长机制。采用差热分析仪、X射线衍射仪和透射电子显微镜分析了原位合成CNTs(Ni)／A!复合粉末及其复合材料块体发生相变的温度范围，研究了退火对CNTs—Al界面结构的影响，考察了CNTs在复合粉末和复合材料中的热稳定性及其与铝基体之间的界面浸润情况，进而探讨了CNTs-A!的界面润湿理

4、论。结果表明：复合粉末中CNTs在退火温度低于800℃基本不与铝发生反应，只是CNTs表面的无定形碳薄层与铝反应生成A14C3薄层；复合材料块体经过850℃退火后CNTs与铝基体之间界面结合好，且CNTs结构保持好；CNTs与铝基体间的界面反应润湿动力学主要是通过A14C3薄层沿着CNTs轴向长大进行的；CNTs与铝基体间A14C3薄层的形成，有利于改善CNTs．AI界面浸润性，提高界面结合强度，从而提高CNTs(Ni)／Al复合材料的载荷传递效率和力学性能。采用粉末冶金工艺对原位合成CNTs(Ni)／Al复合粉末进行压制．烧结后制备了

5、CNTs(Ni)／Al复合材料。研究了成型工艺、烧结温度、时间和复压对复合材料微观结构与性能的影响，获得了优化的粉末冶金工艺参数。同时，研究了CNTs含量对复合材料力学性能和微观组织的影响，并探讨了复合材料的强化机理。结果表明：原位合成法引入的CNTs能显著提高复合材料的硬度、拉伸强度和弹性模量。当CNTs含量为5wt％时，复合材料的硬度和拉伸强度较纯铝基体分别提高l80％和300％，与传统高能机械球磨法制备的复合材料的硬度和拉伸强度相比，分别提高约100％和86％；复合材料的强化主要来自CNTs与铝基体热膨胀系数不匹配而引起的基体加工

6、硬化，CNTs对铝基体变形的约束和对铝基体中位错运动的阻碍产生的位错强化和细晶强化。采用化学气相沉积法在Ni含量较高的Ni／AI催化剂中合成了碳纳米洋葱结构相(CNOs)。探讨了化学气相沉积工艺对CNOs产率、形貌与结构的影响，考察了CNOs的纯化、磁性能和摩擦学性能。结果表明：以氢气作载气时制得纯度高且具有超顺磁性的内包镍纳米碳洋葱洲i@CNOs)，而以氮气作载气时获得中空CNOs和Ni@CNOs的混合物；添加质量分数为1％的Ni@CNOs能显著提高润滑油的抗磨性能和承载能力，并大幅降低润滑油的摩擦系数。关键词：铝基复合材料碳纳米管化

7、学气相沉积原位合成催化剂ABSTRACTCarbonnanotubes(CNTs)haveattractedmuchattentionbecauseoftheirexcellentmechanical，electrical，andthermalproperties．OfparticularinterestistheuseofCNTsinthereinforcementofmetalmatrixcompositesasameansofovercomingtheperformancelimitsofconventionalmaterials

8、．ThemostimportantissuesforpreparingCNTs／metalcompositeswithhighperformancesarethehomogenousmolecular-le