碳纳米管增强铝基复合材料制备与性能研究

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自从1991年碳纳米管(CNT)发现以来,由于CNT具有优异的机械性能已经吸引了一大批研究者的关注。因为CNT具有非常高的强度和杨氏模量,成为复合材料中一种非常有用的增强材料。碳纳米管增强铝基复合材料由于其高强轻质的特点有望在今后航空航天和汽车领域中得到广泛应用。本文尝试用干法和湿法两种混合粉末的工艺制备CNTs/Al复合粉体,然后经过后续的冷压、烧结、热压和热挤工艺,制备碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料。测试复合材料的抗拉强度(UTS)和硬度(HB),通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料断口组织,分析了两种制备工艺对复合材料力学性能的影响,并从微观分析了复合材料的增强方式和断裂机理。经过干法与湿法混合CNT含量为1%的复合粉末,冷压成型,并在600℃烧结6h,随后经过500℃热压和550℃热挤制备得到的复合材料。干法和湿法制备的复合材料抗拉强度分别为241MPa和206MPa。通过SEM观察其断口发现利用干法混粉工艺制备的复合材料断口组织致密,基体结合强度好,韧窝分布均匀,在基体中可见单根的CNT存在。而后者基体结合强度不高,断口观察发现在拉伸过程中有从基体撕裂的现象,组织不致密,存在大量的孔洞。故确定干法混粉工艺这条路线为最佳的制备方案。利用干法混粉工艺制备CNTs/Al复合材料,经过一系列对比试验发现:1.在600℃烧结6h制备得到的样品具有最高的抗拉强度和硬度。2.CNT管径对复合材料力学性能有较大影响,管径为50nm的CNT制备的复合材料具有最高力学性能。3.铝粉粒径对复合材料力学性能有较大影响,10-20μm粒径的铝粉末制备的复合材料具有最高力学性能。4.在CNT含量为2%时的样品具有最高的抗拉强度和硬度。
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