【摘要】：碳納米管(Carbon Nanotubes,CNTs)優(yōu)異的力學(xué)、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能使其成為了復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。目前,應(yīng)用碳納米管來增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料已成為一個(gè)極為重要的研究領(lǐng)域。在制備碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的過程中,實(shí)現(xiàn)碳納米管在基體中的均勻分散是使復(fù)合材料獲得優(yōu)良綜合性能的關(guān)鍵所在。由于碳和銅之間幾乎互不溶解,且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此CNTs和銅基體之間的浸潤性較差,采用碳納米管表面鍍鎳的方式來改善其在銅基體中的分散狀況、提高其與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度是提高復(fù)合材料綜合性能的有效手段。本論文分別采用真空燒結(jié)法和放電等離子燒結(jié)(Spark plasma sintering,SPS)法制備了碳納米管增強(qiáng)銅基(CNTs/Cu)復(fù)合材料,研究了不同的工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料致密度、力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響。主要研究結(jié)果如下:采用高能球磨法對(duì)CNTs及銅粉進(jìn)行混粉。SEM的觀察結(jié)果表明,CNTs的長度被明顯剪短,CNT的團(tuán)聚體在球磨后仍然存在。CNTs鍍鎳后與銅粉的混合更均勻,團(tuán)聚體數(shù)量也明顯減少。TEM的觀察結(jié)果表明,CNTs在球磨過程中會(huì)發(fā)生表面粗糙化或斷裂。采用真空燒結(jié)法結(jié)合冷軋工藝制備了 CNTs/Cu復(fù)合材料,結(jié)果表明燒結(jié)后的冷軋可使復(fù)合材料的相對(duì)密度和顯微硬度都進(jìn)一步提高,冷軋后成分為含鍍鎳碳納米管(Ni-CNT)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%組的復(fù)合材料的相對(duì)密度達(dá)到了 92.4%,顯微硬度達(dá)到了 1100 MPa。FESEM的觀察結(jié)果表明CNTs/Cu復(fù)合材料的顯微組織由銅基體和CNTs的富集區(qū)所組成,CNTs不鍍鎳時(shí),界面結(jié)合處存在較多孔隙。CNTs鍍鎳后與銅基體的結(jié)合情況明顯改善,界面處孔隙的數(shù)量和尺寸都有所減少。TEM的觀察結(jié)果表明,對(duì)于成分為含鍍Ni-CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的復(fù)合材料,CNT和銅基體間的界面結(jié)合非常緊密、干凈。當(dāng)CNTs位于界面時(shí),起到了阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用,導(dǎo)致周圍銅基體中的位錯(cuò)密度較高。當(dāng)CNTs位于晶內(nèi)時(shí),由于位錯(cuò)被亞晶界處的小角度晶界或扭轉(zhuǎn)晶界所捕獲,其周圍銅基體中的位錯(cuò)密度較低。采用SPS燒結(jié)法結(jié)合冷軋工藝制備了 CNTs/Cu復(fù)合材料,經(jīng)800℃燒結(jié)后和冷軋后,成分為含Ni-CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%和2%的復(fù)合材料的相對(duì)密度分別達(dá)到了98%和95%,顯微硬度分別達(dá)到了 1069MPa和1084MPa。冷軋變形有助于孔隙的焊合,減少孔隙數(shù)量,使復(fù)合材料的致密度和顯微硬度進(jìn)一步提高。FESEM的觀察結(jié)果表明,復(fù)合材料的顯微組織由銅基體和CNTs的富集區(qū)所組成,成分為含Ni-CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的復(fù)合材料具有良好的界面結(jié)合。而成分為含CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%組的復(fù)合材料中,CNTs與銅基體間呈現(xiàn)分離狀態(tài)。TEM的研究結(jié)果表明除,除鍍鎳改性優(yōu)化了碳納米管與銅基體之間的結(jié)合狀況外,一些存在于CNT-Cu界面上的氧元素還通過化學(xué)鍵合的方式改善了碳納米管與銅之間界面結(jié)合。
【圖文】：

子構(gòu)成六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。１９９１年由ｌｉｊｉｍａＳ［８］發(fā)現(xiàn)的碳納米管可以看作是由二維石逡逑墨片層卷積而成的無縫中空的管狀結(jié)構(gòu)，，六邊形碳原子網(wǎng)格圍成其管體，管體的逡逑兩端可以看作是兩個(gè)半球形的大富勒烯（Ｃ６Ｑ）分子。如圖１－１所示。逡逑只由一個(gè)石墨層圍成的圓柱面構(gòu)成的碳納米管被稱為單壁碳納米管，由多個(gè)逡逑圓柱面嵌套而成的碳納米管稱為多壁碳納米管。多壁碳納米管的層間距為逡逑０．３４ｍｎ［９］，與石墨的層間距大致相當(dāng)。單壁碳納米管的直徑一般為幾納米到十幾逡逑１逡逑ｆ逡逑

５－１０ｎｍ，外徑為３０－５０ｎｍ，長度在１０－３0Ｋｍ，其中鍍鎳碳納米管的鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在逡逑６０％以上。銅粉是顆粒大小為４－７＾ｎ商業(yè)超細(xì)銅粉。實(shí)驗(yàn)原料的具體參數(shù)如表逡逑２－１所示，其中碳納米管的原始形貌如圖２－１所示。逡逑＿媝逡逑圖２－１邋（ａ）多壁碳納米管和（ｂ）鍍鎳多壁碳納米管的原始形貌圖逡逑Ｆｉｇ．２－１邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋ＣＮＴｓ邋（ｂ）邋ＣＮＴｓ邋ｃｏａｔｅｄ邋ｗｉｔｈ邋Ｎｉ逡逑表２－１實(shí)驗(yàn)原料逡逑原料名稱邐原料規(guī)格逡逑多壁碳納米邋純度：＞９５％；內(nèi)徑：５－１０ｎｍ；外徑：３０－５０ｎｍ；邋長度：逡逑管邐１０－３０ｊｊ＿ｍ；比表面積：＞１１０ｍ２／ｇ；體積密度：０．２８ｇ／ｃｍ３；逡逑真實(shí)密度：約２．１ｇ／ｃｍ３逡逑鍍鎳多壁碳邋內(nèi)徑：５－１０ｎｍ；外徑：２０－３０ｍｎ；長度：１０－３０＾ｕｎ；邋ＣＮＴｓ逡逑納米管邋含量：＞３８ｗｔ．％；鎳含量：＞６０ｗｔ．％；振實(shí)密度：逡逑０．８３ｇ／ｃｍ３逡逑純銅粉末邐純度：９９．９％；直徑：３－７ｔｉｍ；樹枝晶逡逑２０逡逑ｒ逡逑
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB333

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2576725