原位合成碳纳米管铝基复合材料及其耐磨、耐蚀性能

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1、摘要碳纳米管(CNTs)增强铝基复合材料以其优良的物理和力学性能，逐渐受到人们的广泛关注。探索CNTs／A1复合材料的制备技术和研究其摩擦磨损及腐蚀性能，对于纳米相增强金属基复合材料的设计制备具有理论意义和实用价值。本文探索了一种原位化学气相沉积法合成制备CNTs／A1复合材料的新方法，研究了CNTs对复合材料的显微结构、硬度、摩擦磨损性能及腐蚀性能的影响。实验研究了原位化学气相沉积法制备CNTs／A1复合粉末。首先，以铝为载体，采用沉积．沉淀法制备Ni／A1催化剂；随后利用化学气相沉积(CVD)法，以甲烷为碳源，以一定比例的氢气和氮气为载气，在

2、Ni／A1催化剂上原位生长CNTs。结果表明，原位反应生长出的CNTs均匀的分散在铝基体中；CNTs的产率随催化剂中含Ni量的增加和反应时间的延长而增加，同时伴有洋葱状碳结构的生成；随着载气气氛中氮气与氢气比例的不同，CNTs的产率及形态发生变化。氢气的存在会阻碍CNTs的生长；而氮气对碳纳米管的生长起双重作用。氮原子既可能占据碳原子在催化剂上的吸附位置而阻碍CNTs的生长；也可能促进碳原子在催化剂中的扩散而有利于CNTs的生长。对实验获得的CNTS／Al复合粉末，采用粉末冶金法制备得到CNTs增强铝基复合块体材料。对复合材料的显微组织及硬度的研

3、究表明，随着复合材料中CNTs含量的不断增加，基体铝的晶粒细化，硬度升高。采用油磨的方法对复合材料的摩擦磨损行为进行了研究。结果表明，CNTs的加入提高了复合材料的摩擦磨损性能：去应力退火处理提高复合材料在较低载荷下的耐磨性，降低其在较高载荷下的耐磨性。采用电化学的方法对复合材料的腐蚀性为进行了研究，并与LC4CS和纯铝进行对比。研究发现，CNTs对复合材料腐蚀性能的影响是双方面的，一方面，CNTs作为比基体腐蚀电位更正的第二相，必然会引起电偶腐蚀，加大复合材料的腐蚀倾向，加速其腐蚀速度；另一方面，CNTs良好的耐腐蚀性能及其在复合材料中的均匀分

4、散，可以阻碍复合材料的进一步腐蚀，提高其耐蚀性。关键词：原位化学气相沉积碳纳米管铝基复合材料摩擦磨损腐蚀行为ⅡABSTRACTCarbonnanotubes(CNTs)reinforcedaluminummatrixcompositeshavetakengreatattentionsfortheirpromisingphy’sicalandmechanicalperformances．Theinvestigationsaboutpreparationtechnology,tribologyandcorrosionbehaviourofCNTs／A

5、1compositeswouldtakeagreatimpactontheoryandapplicationforthepreparationtechnologyofnano-phasereinforcedmetalmatrixcomposites．Inthispaper,CNTs／A1compositeswerefabricatedbyanewmethedcalled“in—situchemicalroute”，andtheeffectofCNTsonthemierostructure，hardness，tribologyandcorrosio

6、nbehaviourofthecompositeswereinvestigated，CNTs／A1compositepowderwasfabricatedbYallin-situchemicalroute．ThecatalystNi／A1wasobtainedby“co-precipitation”usingaluminumascarrier．Then，CNTs／A1compositepowderwasproducedbytheprocessofchemicalvapordeposition(CVD)formNi／A1catalystusingm

7、ethaneasacarbonsol／iceandN2andH2ascarriedgases．TheresultsshowedthatCNTssynthesizedbythein—situchemicalrouteuniformlydistributedinaluminummatrix．TheChiTsyieldwasincreasedwiththecontentofNiinNi／A1catalystandreactiontimeincreasing．TheyieldandthemorphologyofCNTsvarieddependingont

8、heratioofN2andH2．Moreover,thegrowthofCNTscouldberestrainedbyH2，while