铝基复合材料的制备和性能研究.doc

PAGE-5-碳纳米管增强铝基复合材料的制备及性能研究纳米相增强铝基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，表现出优异的理化和力学性能。碳纳米管力学性能的理论和实验研究表明碳纳米管的韧性好，结构稳定，具有极小的尺度及优异的力学性能，是理想的一维纳米增强、增韧材料。本文通过对无压渗透条件的探索，克服了碳纳米管与熔融铝不浸润性的障碍，实现了充分渗透，使碳纳米管在铝基体中分布均匀，与铝基体结合良好，同时对碳纳米管增强铝基复合材料的微结构、维氏硬度及摩擦磨损性能进行了研究。设计与研究内容本实验采用无压渗透法制备了碳纳米管增强铝基复合材料，并对其摩擦性能进行了研究。利用扫描电镜观察了复合材料断面的形貌，通过复合材料硬度测量和摩擦磨损实验，研究了不同碳纳米管体积分数对复合材料的硬度及摩擦磨损性能的影响。同时根据碳纳米管增强铝基复合材料的特点，对材料的性能指标进行了预测。选择基体和增强体材料的理由基体：铝1、低密度：铝基复合材料的密度一般在2.8左右，基本上与一般铝合金相当；2、高的比强度（强度/密度）：颗粒增强的铝基复合材料，其强度在400～700Mpa，与一般结构钢相当；3、高的比刚度（刚度/密度）：颗粒增强的铝及铝合金基复合材料弹性模量E约为80～140Gpa，其比刚度（E/P）比一般铝合金高约60%，是钢铁材料的1.5～2倍；4、优良的高温性能及高的抗大气腐蚀能力：一般铝合金（如硬铝超硬铝）的强度对温度较为敏感，而铝基复合材料的强度在高于300℃时才呈快速下降趋势，300℃时短时拉伸强度仍有400Mpa以上。由于此材料的基体为铝及铝合金，故其抗大气腐蚀能力好；5、高的耐磨性：高的耐磨性是此材料显著的特点之一，在湿摩擦（有润滑）条件下呈现出优良的耐磨性。增强体材料：碳纳米管1.碳纳米管的韧性好，结构稳定，具有极小的尺度及优异的力学性能，是理想的一维纳米增强、增韧材料；2.碳纳米管均匀地分散于复合材料中，且与铝基体结合良好；3.碳纳米管的加入增大了复合材料的硬度，且其摩擦系数和磨损率随着碳纳米管体积分数的增大而减小。由于碳纳米管本身具有自润滑和增强作用，碳纳米管的加入极大地改善了铝合金材料的摩擦性能。三．材料制备方法与摩擦性能研究制备碳纳米管增强金属基复合材料首先应该考虑的问题是如何使碳纳米管在金属基体中很好地分散，且与基体很好地结合。目前通常采用的方法主要有：热压法、真空吸铸法、粉末冶金烧结法、半固态铸造法以及利用涂敷或表面沉积改善润湿性的方法，但各有其局限性。本文应用无压渗透方法制备了碳纳米管增强铝基复合材料。无压渗透是指熔体在无外力作用下，借助浸润导致的毛细管压力渗入颗粒多孔预制件，形成复合材料的工艺，与其他复合工艺相比，无压渗透具有工艺简单、对设备的要求低、所制备的材料致密度高、可以近乎终成型等优点。1.多壁碳纳米管的制备碳纳米管的制备采用催化热分解法。乙炔作为碳源，钴作为催化剂，生成的碳纳米管粗产物经过浓硝酸浸泡、氢氟酸浸泡、过滤和烘干后，获得高纯度碳纳米管,用透射电镜进行观察。主要目的：制备高纯度的碳纳米管，用来与铝基体结合。2.碳纳米管铝基复合材料的制备与摩擦磨损实验将碳纳米管、铝粉和镁粉按照如表1所示比例在不锈钢罐中氩气保护下球磨共混7h取少量球磨后的粉末经过浓硝酸浸泡除去铝粉和镁粉并经清洗后，用透射电镜观察球磨后的碳纳米管形貌。余下的粉末模压成直径为70mm厚度为15mm的预制件放入不锈钢坩埚中,将牌号为LY12的铝合金置于预制件上方。然后将它们一同置入管式炉中，在氮气气氛下加热到800摄氏度并保温5h随炉冷却至室温后取出,即为制备好的碳纳米管增强铝基复合材料。作为对比，在氩气气氛下也进行了相同的制备实验。图1为实验装置及布置图。通过场发射扫描电镜观察了复合材料断面处碳纳米管在铝基体中的分布以及与铝基体的结合情况，并测量了碳纳米管增强铝基复合材料的维氏硬度。在MMW-1销盘式摩擦磨损试验机上进行了摩擦磨损试验。销试样为标准件，其材料为调质过的中碳钢（硬度为HB220）盘试样(直径为20mm,厚度为10mm)由碳纳米管增强铝基复合材料线切割而成,其表面经抛光和丙酮清洗。摩擦磨损实验条件为：干摩擦相对滑动速度为0.157m/s，法向载荷为30N。待磨损达到稳态后测量平均摩擦系数和磨损失重，并以单位滑动距离的磨损失重作为磨损率。主要目的：使碳纳米管在铝基体中均匀分布制备碳纳米管增强铝基复合材料，并测试该材料的摩擦性能。四．材料结构和性能特点分析1.碳纳米管形貌图2（a）为纯化后的碳纳米管透射电镜照片,其长径比为100-1000,且易团聚。球磨7h后的碳纳米管明显变短，且分散性提高，如图2（b）所示。碳纳米管切短后有利于在金属基体中很好地分散。2.碳纳米管铝基复合材料的微结构分析和硬度图5为碳纳米管铝基复合材料的硬度随