碳纳米管增强铝基复合材料的机械分散制备及其组织性能研究

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1、博士学位论文碳纳米管增强铝基复合材料的机械分散制备及其组织性能研究Fabrication，MicrostructureandPropertiesofCarbonNanotubeReinforcedAluminumMatrixCompositesPreparedbyMechanicalMethod学号：11005022完成日期：2014．04大连理工大学DalianUniversityofTechnology论文作者签名：指导教师签名：论文评阅人l：评阅人2：评阅人3：评阅人4：评阅人5：莹函跫殓≤噬答辩委员会主席：委员1：委员2：委员3：委员4：答辩日期：洲0㈣2毙㈣删缢㈣印整洲5织

2、一㈣碜螋恻一挫及备趔敛佥檀酱植金复薹锃强丝蟹苤纽篮Author’SSignature：Supervisor’Ssignature：Reviewers：ExaminingCommitteeChairman：ExaminingCommitteeMembers：Dateoforaldefense：掣薹I业差掣型幽重I主I些地照且堂幽型大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作

3、的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。大连理工大学博士学位论文摘要本文分别利用两种机械法分散(高能球磨HEM，搅拌摩擦加工FSP)方式制备了CNT／A1复合材料。采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、x射线衍射、显微硬度、拉伸实验机、热物理分析仪等测试手段对两种制备方法所涉及到的CNT长度变化、损伤、分散均匀性和CNT—A1界面反应以及拉伸性能和热物理性能等进行了系统地研究与分析，并结合模型计算就两种机械法分散工艺中的CNT长度演化以及复合材料的强化机制进行了深入的探讨。对于球磨工艺制备CNT／A1．4．9Mg

4、复合材料来说，影响CNT分散的主要因素是球磨转速和时间，300rpm时Al粉末的变形程度小，比表面积不足以容纳CNT；450rpm时A1粉末的变形程度大，但粉末之间的冷焊严重，CNT来不及分散就被冷焊到基体中：400rpm时Al粉的变形较大，而冷焊也不严重，有利于获得均匀分散的CNT。在400rpm下，随着球磨时间延长，CNT长度变短，但分散性逐渐提高，经过8h球磨后CNT已经完全分散到Al基体中了，同时CNT的长度也从原始的数微米减小到250nlTl。热压温度对CNT／A!．4．9Mg复合材料的界面反应有重要的影响，853K热压时，CNT—A1界面反应严重，CNT损伤明显；而当热压

5、温度减小到753K时，界面反应受到明显抑制，在基体中只观察到尺寸为数十纳米的细小A14C3反应产物；CNT—AI界面干净、平直，CNT管状结构保持良好，复合材料的强度也得到明显提高。对于优化参数下制备的复合材料中CNT在基体中分布均匀、且沿着热变形方向定向分布。均匀分布的CNT使复合材料的晶粒明显细化，1．5和3v01．％CNT的复合材料的晶粒仅有300和200nlIl。复合材料的密度随CNT含量的增加而线性减小，而弹性模量和力学强度则大幅度提升。3v01．％CNT／A1．4．9Mg复合材料的抗拉强度达到601MPa，弹性模量提高到83GPa，但过于细小的晶粒和HEM引入的杂质使复合

6、材料延伸率较低，仅有3％。通过多道次FSP制备了CNT／2009A1复合材料。FSP道次增加，CNT的团聚含量减小，CNT分布均匀性提高。超过3道次后CNT完全分散到基体中。FSP道次增加，CNT的长度减小。当道次增加到5时，CNT的长度仅有250nlTl，但CNT的直径在整个FSP过程中变化很小。CNT分布在基体中可以有效地钉轧晶界，使得复合材料的晶粒尺寸随着FSP道次的增加而减小，超过3道次后晶粒尺寸达到稳定，约为800nnl。3-4道次时，CNT既能均匀分布，又能保持一定的长度，且晶粒也比较细小，所以复合材料的强一塑性配合比其它道次的复合材料要好。利用4道次FSP制备了1．5和

7、4．5v01．％CNT／2009AI复合材料，结果发现CNT在经过4道次FSP后均匀随机的分散在基体中，部分还有弯曲。CNT受到的损伤较小，管状结构保持良好且CNT．AI界面结合良好，仅在少量CNT碳纳米管增强铝基复合材料的机械分散制备及其组织性能研究的管端观察到有A14C3的生成。CNT的加入使复合材料的屈服强度大幅度提高，1．5和4．5v01．％CNT复合材料的屈服强度相对于基体分别提高了26和43％；但抗拉强度只提升了约11％，且CNT含量从1．5提