文章以氮化鋁（AlN）粉末為基體材料,以氧化鈣（CaO）和氧化釔（Y₂O₃）為燒結(jié)助劑,摻雜酸洗處理后的多壁碳納米管（CNTs）為增韌材料,采用機(jī)械球磨后熱壓燒結(jié)的方法制備氮化鋁-碳納米管（AlN-CNTs）復(fù)合材料。通過X射線衍射儀（X-ray diffraction,XRD）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope,SEM）對AlN-CNTs復(fù)合材料的成分結(jié)構(gòu)及微觀形貌進(jìn)行表征,并測試其物理力學(xué)性能。研究表明:隨著燒結(jié)溫度的升高,AlN-CNTs復(fù)合材料的力學(xué)性能也隨之提升;在1 750℃的燒結(jié)溫度下,隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,AlN-CNTs復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性先上升后下降,且當(dāng)碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳。碳納米管在AlN-CNTs復(fù)合材料中的增韌機(jī)制主要是碳納米管的拔出、碳納米管的橋連和裂紋的偏轉(zhuǎn)。 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,43(10)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

AlN-CNTs復(fù)合材料的XRD圖譜

不同燒結(jié)溫度(1 600、1 650、1 700、1 750 ℃)對碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的AlN-CNTs復(fù)合材料斷口形貌的影響如圖2所示。從圖2a可以看出,復(fù)合粉體經(jīng)過1 600 ℃燒結(jié)后所得AlN-CNTs復(fù)合材料存在很多孔隙,而且晶粒生長不完全,晶粒之間界面結(jié)合較弱。由于燒結(jié)溫度低,復(fù)合材料的性能也較差。

從圖3d可以看出碳納米管的拔出,但由于碳納米管添加量過多,部分碳納米管發(fā)生了團(tuán)聚(如圖中白色箭頭所示),從而導(dǎo)致了復(fù)合材料力學(xué)性能的下降。碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)對經(jīng)1 750 ℃燒結(jié)所得AlN-CNTs復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響見表3所示。從表3可以看出,未添加碳納米管時(shí),材料燒結(jié)致密,實(shí)際密度接近理論密度,其致密度達(dá)到了99.5%。這主要是由于燒結(jié)助劑Y2O3、CaO與AlN顆粒表面的Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成了液相。液相的生成有助于提高燒結(jié)的驅(qū)動力,促進(jìn)了燒結(jié)時(shí)的傳質(zhì)過程,加速了材料的致密化。在氮化鋁基體中添加了碳納米管后,AlN-CNTs復(fù)合材料的致密度開始下降。由于碳納米管添加到氮化鋁基體中后,一部分碳納米管會存在于晶界,這會阻礙復(fù)合材料的致密化,而且碳納米管的添加量達(dá)到一定程度后繼續(xù)添加碳納米管則會導(dǎo)致碳納米管發(fā)生團(tuán)聚。因此隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的致密度逐漸下降。未添加碳納米管時(shí),材料的硬度為10.1 GPa;當(dāng)添加碳納米管后,復(fù)合材料的硬度隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加開始下降,AlN-CNTs復(fù)合材料致密度的下降導(dǎo)致了其硬度的下降。隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,AlN-CNTs復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢。未添加碳納米管時(shí),材料的抗彎強(qiáng)度為318.5 MPa;當(dāng)碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),AlN-CNTs復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)到了346.5 MPa�？箯潖�(qiáng)度的提升源于碳納米管的橋連,但單純依靠部分碳納米管的橋連作用,抗彎強(qiáng)度提升不明顯:繼續(xù)添加碳納米管,碳納米管發(fā)生團(tuán)聚,導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度下降。AlN-CNTs復(fù)合材料的斷裂韌性與抗彎強(qiáng)度類似,隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,也呈先上升后下降的趨勢。未添加碳納米管時(shí),復(fù)合材料的斷裂韌性為3.35 MPa·m1/2;當(dāng)碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),AlN-CNTs復(fù)合材料的斷裂韌性達(dá)到了3.89 MPa·m1/2,相對于未添加碳納米管時(shí)提高了16%。復(fù)合材料斷裂韌性的提升源于碳納米管的橋連、裂紋的偏轉(zhuǎn)以及碳納米管的拔出。繼續(xù)添加碳納米管,由于碳納米管發(fā)生團(tuán)聚,AlN-CNTs復(fù)合材料的斷裂韌性開始下降。


本文編號：3611639