碳纳米管-铝基复合材料的制备及摩擦性能研究ok.pdf
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1、第!卷第#期$%&年#月浙!江!大!学!学!报!工学版()*+,-(./0 1 2 3,+45+3 6 1*7 3 8 9!:+4 3+1 1*3+4;3 1+!?(#?(6$%&收稿日期#$%E%!浙江大学学报!工学版 网址#AAA2()*+,-7 B 2)1 C)作者简介#丁志鹏$#D G%&男&江西南昌人&硕士生&从事纳米碳管增强金属基复合材料研究:H I,3-C 3+4 B N#!0(8 I,3-:H I,3-B 0,+4 J W!B 2)1 C)浙江大学 材料科学与工程学系&浙江 杭州!#%$D($浙江大学 硅材料国家重点实验室&浙江 杭州!#%$D(!浙江大学 化学系&浙江 杭州!
2、#%$D%摘!要#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$;:L%观察了复合材料断面的形貌&通过复合材料硬度测量和摩擦磨损实验&研究了不同碳纳米管体积分数对复合材料的硬度及摩擦磨损性能的影响实验结果表明&碳纳米管均匀地分散于复合材料中&且与铝基体结合良好(碳纳米管的加入增大了复合材料的硬度&且其摩擦系数和磨损率随着碳纳米管体积分数的增大而减小由于碳纳米管本身具有自润滑和增强作用&碳纳米管的加入极大地改善了铝合金材料的摩擦性能关键词#碳纳米管(铝基复合材料(无压渗透(耐磨性中图分类号#P?#$!&!文献标识码#Q!文章编号#%F H D!R$%&%#F
3、#%&/0-1/*-&+/+3*0-&,&5-1/,K 0&K.0*-.)&2 1/0&+/+&*(.)M/,(6-+(61&6 K&)-*.)Y O?_/0 3 H N 1+4#&$&/VQ?_R 3,(H W 3+#&$&R5_)(H-3,+4#&V:3+H J 3,(#&P5 3,+4 H N 3+4#&UV:?b 1 3 H J 3,+4!$#=Y D-0$B$()/-$0%-J#K.%.-+2 1%0%1&3 4 5%-16%,0#%$7&8-1 9 4(&!#%$D&:4%-($=K$-$A 7L-M(0-$(0 7()K%J%.(/-$0%-J#&3 4 5%-16%,0#%$7
4、&8-1 9 4(&!#%$D&:4%-(!=Y D-0$B$():4 B%#$0 7&3 4 5%-16%,0#%$7&8-1 9 4(&!#%$D&:4%-%8 )*0/1*Q-)I 3+3)I(I N(7 3 8 1 7*1 3+.(*1 CA 3 8 0,*W(+,+(8)W 1 7$U?P 7%A 1*1.,W*3 ,8 1 CW 9N*1 7 7)*1-1 7 73+.3-8*,8 3(+N*(1 7 7,+C 8 0 1 8*3 W(-(4 3 ,-N*(N 1*8 3 1 7(.8 0 1 P 0 1.*,8)*1 7)*.,1(.8 0 1(I N(7 3 8 1A,7(W
5、7 1*6 1 CW 97 ,+3+41-1 8*(+I 3 *(7 P 0 16,*3,8 3(+(.8 0 1(I N(7 3 8 1 70,*C+1 7 7A 3 8 06(-)I 1.*,8 3(+(.U?P 7A,78 1 7 8 1 C&,+C8 0 1.*3 8 3(+(1.3 3 1+8,+CA 1,*,8 1(.8 0 1:J N 1*3 I 1+8,-*1 7)-8 7 3+C 3 ,8 18 0,8U?P 7,*1A 1-C 3 7 N 1*7 1 C,+C1 I W 1 C C 1 C 3+8 0 1,-)I 3+3)I I,8*3 J(,+C8 0 1.*3 8 3(
6、+(1.3 3 1+8,+CA 1,*,8 1(.8 0 1(I N(7 H3 8 1 7C 1 *1,7 1A 3 8 03+*1,7 3+46(-)I 1.*,P 0 1.,6(*,W-11.1 8 7(.U?P 7(+A 1,*1 7 3 7 8,+1,*1,8 8*3 W)8 1 C 8(8 0 1 3*1 J 1-1+8 7 1-.H-)W*3 ,8 3+4N*(N 1*8 9&W 1 3+4A 1-C 3 7 N 1*7 1 C 3+8 0 1 (I N(7 3 8 1 7,+C 8 0 1 1.H.3 3 1+9(.8 0 1*1 3+.(*9.:;&0 3),*W(+,+(8)
7、W 1 7$U?P 7%(,-)I 3+3)I(I N(7 3 8 1(N*1 7 7)*1-1 7 7 3+.3-8*,8 3(+(A 1,*1 7 3 7 8,+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$是理想的一维纳米增强#增韧材料碳纳米管作为增强材料对提高金属的强度#硬度#摩擦#磨损性能及热稳定性的作用已有一些报道!&$E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$且与基体很好地结合目前通常采用的方法主
8、要有%热压法#真空吸铸法#粉末冶金烧结法#半固态铸造法以及利用涂敷或表面沉积改善润湿性的方法$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!D%#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$与铝基体结合良好同时对碳纳米管增强铝基复合材料的微结构#维氏硬度及摩擦磨损性能进行了研究#!实!验 生成的碳纳米管粗产物经过浓
9、硝酸浸泡#氢氟酸浸泡#过滤和烘干后$获得高纯度&质量分 数 约 为&碳 纳 米 管$用K 0 3-3 N 7U$%5P透射电镜进行观察余下表#!U 0 1 I 3 ,-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#为实验装置及布置图图#!;0 1 I,8 3 在LLb H#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$其材料为调质过的中碳钢&硬度为V$%$盘试样&直径为$%II$厚度为#%II 由碳纳米管增强铝基复合材料线切割而成$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%#&DI(7$法向载荷为!%?
10、待磨损达到稳态后测量平均摩擦系数和磨损失重$并以单位滑动距离的磨损失重作为磨损率$!结果与讨论=球磨D0后的碳纳米管明显变短$且分散性提高$如图$&W 所示碳纳米管切短后有利于在金属基体中很好地分散图=!提纯后和球磨后的碳纳米管L J照片T 3 4$!P:L3 I,4 1 7(.N)*3.3 1 C,+CW,-I 3-1 CU?P 7$#F#浙!江!大!学!学!报!工学版!第!卷!=!无压渗透过程的影响因素及无压渗透模型通过系列的无压渗透实验!见表#发现#无论在氩气还是在氮气气氛下#熔融态的铝都不能渗透进不含镁的粉体模压成的预制件!表#中样品O O O中$在氩气气氛下#即使预制件中含有镁!表#
11、中样品%(%+%,%-无压渗透也不会发生所制备样品的外在形貌如图!W 所示#预制件被烧结而熔融态的铝并没有渗透进去$其表面无金属光泽且粉体严重剥落#根本无法进行切削加工进一步的实验表明#只有当增大粉体中镁的体积分数#且在氮气气氛下#无压渗透才会发生#所制备的样品形貌如图!,所示熔融态的铝已均匀渗透到模压成的预制件中#因此其表面具有金属光泽#致密度高#切削加工性能良好由此可见#发生铝合金的无压渗透有两个必要条件&体系中应含有足够量的镁$需在含氮气氛中进行可以推断#在制备复合材料的过程中#氮气会和镁粉发生某种反应#而且该反应会对无压渗透过程产生重要的影响图!碳纳米管体积分数为!U(I N(7 3
12、8 1 7虽然实验中熔融态的铝合金是自上而下渗入增强粉体#但原理仍与毛细现象类似在无压渗透工艺过程中#作为助渗剂的镁粉#通过与氮气反应将消耗毛细管中的气氛而形成局部真空#导致铝的吸渗并改善其浸润性$在渗透的同时#又产生渗透的另一驱动力#即自生增强相#使界面产生一定的化学结合#达到晶格匹配图表明了熔融图!无压渗透过程的毛细管模型T 3 4 !U,N 3-,*9I(C 1-.(*N*1 7 7)*1-1 7 7 3+.3-8*,8 3(+铝合金与碳纳米管增强粉体的无压渗透过程图!,表示碳纳米管增强粉体中不含镁粉助渗剂的毛细管!或通道 内的铝液#在F%f下#因为没有镁粉消耗掉毛细管!或通道 中的氮气
13、#熔融的铝不与管壁U浸润#因而产生#%$所示的液态铝表面的收缩力#最终导致排斥液体渗透的合力图!W表示当碳纳米管增强粉体中含有镁粉助渗剂时的铝液#镁挥发到渗透前沿颗粒间隙中并与氮气反应#其反应式为!L 4!4?$!4%?L 4!?$!7!#在F%f下#&QG!$X I(-这样便消耗了增强颗粒围成毛细管!或通道 中的氮气#减小了毛细管!或通道 内气体的压力#形成局部真空从而造成铝液的吸渗反应!#生成的L 4!?$会包覆在增强体颗粒的表面 L 4!?$在高温下易升华且不稳定#当它和铝液接触时会发生分解#在增强体表面上发生如下反应&L 4!?$!7$Q-!-%?$Q-?!7!L 4!-!$在F%f下
14、#&QG#E DX I(-这种现象被称做反应浸润#改善了铝液与管壁的浸润性#使得在#%$的合力的作用下#铝液逐步向管内未渗透的区域推进#并且不断地消耗剩余的气氛而最终实现整体满渗通过原位反应生成的自生增强相Q-?!代号Y#以合适的形式与原管壁的增强材料结合图!此外#由于L 4与a的亲合力大于Q-与a的亲合力#铝液中的L 4能与氧化铝膜发生反应&!L 4!-Q#$a!7%!L 4 a!7$Q#!-!该反应造成氧化铝膜的破裂#促使Q-U?P 7润湿性得到较大的改善=!碳纳米管!铝基复合材料的微结构分析和硬度!图&为碳纳米管 铝基复合材料的硬度随复合材料中碳纳米管体积分数的变化曲线当碳纳米管体积分数
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