碳纳米管增强铜基复合材料的制备、力学性能及微观结构研究

发布时间：2020-02-05 21:02

【摘要】：碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)优异的力学、导电和导热性能使其成为了复合材料的理想增强体。目前,应用碳纳米管来增强金属基复合材料已成为一个极为重要的研究领域。在制备碳纳米管增强金属基复合材料的过程中,实现碳纳米管在基体中的均匀分散是使复合材料获得优良综合性能的关键所在。由于碳和铜之间几乎互不溶解,且不发生化学反应,因此CNTs和铜基体之间的浸润性较差,采用碳纳米管表面镀镍的方式来改善其在铜基体中的分散状况、提高其与基体间的界面结合强度是提高复合材料综合性能的有效手段。本论文分别采用真空烧结法和放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)法制备了碳纳米管增强铜基(CNTs/Cu)复合材料,研究了不同的工艺参数对复合材料致密度、力学性能及微观结构的影响。主要研究结果如下:采用高能球磨法对CNTs及铜粉进行混粉。SEM的观察结果表明,CNTs的长度被明显剪短,CNT的团聚体在球磨后仍然存在。CNTs镀镍后与铜粉的混合更均匀,团聚体数量也明显减少。TEM的观察结果表明,CNTs在球磨过程中会发生表面粗糙化或断裂。采用真空烧结法结合冷轧工艺制备了 CNTs/Cu复合材料,结果表明烧结后的冷轧可使复合材料的相对密度和显微硬度都进一步提高,冷轧后成分为含镀镍碳纳米管(Ni-CNT)质量分数1%组的复合材料的相对密度达到了 92.4%,显微硬度达到了 1100 MPa。FESEM的观察结果表明CNTs/Cu复合材料的显微组织由铜基体和CNTs的富集区所组成,CNTs不镀镍时,界面结合处存在较多孔隙。CNTs镀镍后与铜基体的结合情况明显改善,界面处孔隙的数量和尺寸都有所减少。TEM的观察结果表明,对于成分为含镀Ni-CNT质量分数1%的复合材料,CNT和铜基体间的界面结合非常紧密、干净。当CNTs位于界面时,起到了阻碍位错运动的作用,导致周围铜基体中的位错密度较高。当CNTs位于晶内时,由于位错被亚晶界处的小角度晶界或扭转晶界所捕获,其周围铜基体中的位错密度较低。采用SPS烧结法结合冷轧工艺制备了 CNTs/Cu复合材料,经800℃烧结后和冷轧后,成分为含Ni-CNT质量分数1%和2%的复合材料的相对密度分别达到了98%和95%,显微硬度分别达到了 1069MPa和1084MPa。冷轧变形有助于孔隙的焊合,减少孔隙数量,使复合材料的致密度和显微硬度进一步提高。FESEM的观察结果表明,复合材料的显微组织由铜基体和CNTs的富集区所组成,成分为含Ni-CNT质量分数2%的复合材料具有良好的界面结合。而成分为含CNT质量分数2%组的复合材料中,CNTs与铜基体间呈现分离状态。TEM的研究结果表明除,除镀镍改性优化了碳纳米管与铜基体之间的结合状况外,一些存在于CNT-Cu界面上的氧元素还通过化学键合的方式改善了碳纳米管与铜之间界面结合。
【图文】：

笼状结构,扶手椅

子构成六边形网状结构。１９９１年由ｌｉｊｉｍａＳ［８］发现的碳纳米管可以看作是由二维石逡逑墨片层卷积而成的无缝中空的管状结构，，六边形碳原子网格围成其管体，管体的逡逑两端可以看作是两个半球形的大富勒烯（Ｃ６Ｑ）分子。如图１－１所示。逡逑只由一个石墨层围成的圆柱面构成的碳纳米管被称为单壁碳纳米管，由多个逡逑圆柱面嵌套而成的碳纳米管称为多壁碳纳米管。多壁碳纳米管的层间距为逡逑０．３４ｍｎ［９］，与石墨的层间距大致相当。单壁碳纳米管的直径一般为几纳米到十几逡逑１逡逑ｆ逡逑

形貌,多壁碳纳米管,镀镍,形貌

５－１０ｎｍ，外径为３０－５０ｎｍ，长度在１０－３0Ｋｍ，其中镀镍碳纳米管的镍质量分数在逡逑６０％以上。铜粉是颗粒大小为４－７＾ｎ商业超细铜粉。实验原料的具体参数如表逡逑２－１所示，其中碳纳米管的原始形貌如图２－１所示。逡逑＿媝逡逑图２－１邋（ａ）多壁碳纳米管和（ｂ）镀镍多壁碳纳米管的原始形貌图逡逑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实验原料逡逑原料名称逦原料规格逡逑多壁碳纳米邋纯度：＞９５％；内径：５－１０ｎｍ；外径：３０－５０ｎｍ；邋长度：逡逑管逦１０－３０ｊｊ＿ｍ；比表面积：＞１１０ｍ２／ｇ；体积密度：０．２８ｇ／ｃｍ３；逡逑真实密度：约２．１ｇ／ｃｍ３逡逑镀镍多壁碳邋内径：５－１０ｎｍ；外径：２０－３０ｍｎ；长度：１０－３０＾ｕｎ；邋ＣＮＴｓ逡逑纳米管邋含量：＞３８ｗｔ．％；镍含量：＞６０ｗｔ．％；振实密度：逡逑０．８３ｇ／ｃｍ３逡逑纯铜粉末逦纯度：９９．９％；直径：３－７ｔｉｍ；树枝晶逡逑２０逡逑ｒ逡逑
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB333

【参考文献】