文档介绍：山东大学
博士学位论文
CNT/Fe<,3>Al金属间化合物基复合材料的制备和性能研究
姓名:庞来学
申请学位级别:博士
专业:材料学
指导教师:孙康宁
20070329
摘要由于碳纳米管独特的中空管状结构与性能及其在纳米电子器件和高性能纳米材料中的潜在应用,它一经发现即刻受到了广泛的关注。碳纳米管具有非常独特、十分完美的微观结构和非常大的长经比,同时具有超常力学性能以及优良的电学性能,被认为是纳米复合材料的理想添加相,成为制备超强复合材料的极限形式。碳纳米管复合材料是碳纳米管应用研究的一个重要组成部分。目前碳纳米管复合材料研究主要集中在有机聚合物、陶瓷上,对金属问化合物基纳米管复合材料的研究很少,因此,开展对碳纳米管/金属间化合物基复合材料的研究具本文综述了当前碳纳米管增强聚合物、金属、陶瓷复合材料的最近研究进展,紧紧围绕碳纳米管纳米复合材料这个当前研究热点,利用碳纳米管具有的弹性模量高、强度高、韧性好,长径比大以及耐磨性高的特点,将碳纳米管与金属间化合物复合,一方面希望充分发挥碳纳米管力学性能方面的优势,对金属问化合物起到增韧补强的作用;另外,有可能利用碳纳米管的电学、磁学及吸波性等性能得到一种具有某种特定功能的复合材料。基于以上分析,本文设计和制各了一种新型的多壁碳纳米管/鹗艏浠衔锘春喜牧希⒍愿春喜牧系闹票腹ひ铡物理性能ρА⒌缪А⒋叛阅、微观结构、增韧机制进行了系统研究。主要论文首先对碳纳米管和铁铝金属间化合物的界面进行了理论设计,建立了碳纳米管的理论学模型,借助于固体与分子经验电子理论对其价电子结构进行分析,利用界面电子结构的计算模型和方法研究了两相的界面电子结构,结果发现电子密度偏离连续,界面存在一定的应力,这是一种更高级别的界面强韧化。采用差热分析的实验方法探讨了碳纳米管与基体相的化学相容性,结果表明二者相容性良好;,原子的内层电子结合能减少,而原子的内层电子结合能首次采用基于理论建立的“二原子模型”计算了机械合金化过程中相和舢相的应变,结果表明相应变为珹嘤Ρ湮R.,说明相膨胀,相收缩,这与利用计准扑憬峁隆U庖参!岸幽P汀痹机械合金化金属间化合物领域的应用丌辟了广阔的前景。有创新性。研究内容如下:增加。山东大学博十学位论文
利用等显微分析手段,对碳纳米管自身的结构、形貌、缺陷等进行了研究。结果表明,所用碳纳米管纯度比较高,直径在~,长度为几微米到几十微米,长径比大于D擅坠鼙旧聿皇呛苤保嬖谂ふ邸⑼淝缺陷。采用不同的烧结方法包括真空热压和快速等离子体烧结,获得了致密的碳纳米管/铁铝金属间化合物复合材料。在放电等离子体烧结过程中,碳纳米管的加入使烧结致密化曲线上移,烧结速度提高,即碳纳米管的加入加速了复合材料烧结过程的传质,提高了烧结效率。木ЯIせ罨芪猀热压烧结谋砉刍罨綣/,这是由于等离子体对颗粒表面的活化和净化作用,降低了颗粒的表观活化能,促进了烧结过程的扩散,晶粒的生长速度快于普通的热压烧结。碳纳米管添加入到鹗艏浠衔锘逯锌梢院芎玫促进复合材料烧结,降低复合材料烧结温度,这主要归因于金属间化合物粉体火花放电和碳纳米管的“尖端放电”的耦合效应。在实验的基础上,对其力学性能进行了测试与分析,当碳纳米管含量为%时,复合材料的断裂韧性达到坦,约为纯掣的这个韧性对于结构材料来说是相当高的,其增长幅度在已报道的金属间化合物基复合材料中也是居于前列。与断裂韧性相对比,复合材料的压缩屈服强度也有明显的改善,并且当碳纳米管的含量超过ナ保春喜牧系那慷人淙挥兴陆担但仍然高于基体的强度。对显微组织的观察和分析结果显示,除了添加的碳纳米管外,在鹗艏浠衔锘逯忻稚⒆盼⒘康哪擅譇粒子,主要是由于操作时引入的氧造成的。.舢金属间化合物存在有序化程度不均匀现象,大部分区域为具有峁沟腇组织,同时存在少量的结构。碳纳米管在烧结过程中以其独特的管状结构和多层壁结构保持下来,并且与基体良好的界面结合,有利于祸合两者的物理性能,从而改善了金属间化合物基体的力学性能。研究结果而断裂韧性的提高的机制主要有:碳纳米管的拔出、桥联、裂纹偏转以及碳纳米利用交变梯度样品磁强计愿春喜牧系拇叛阅芙辛搜芯浚胖突/,低于倍。表明,碳纳米管与基体之间具有良好的界面结合,这是其强度提高的内在因素。管形成交叉帘布结构等。线表明材料具有优良软磁性能,放电等离子体烧结的碳纳米管含量为%的疐会属问化合物基复合材料的饱和磁化强度为/猛缌Υ锏.。随着碳纳米管含量的变化,复合材料的矫顽力变化遵循三次四项式。基山东大学博十学位论文
于传统的磁滞机理,发展了具有圆柱形状杂质的含杂理论,结合应力理论,给出了复合材料的矫顽力的表达式,不同体积含量的碳纳米管的复合材料的磁滞机理由含杂理论和应力理论协同控制。复合材料的