纳米碳构型设计及其增强铜基复合材料的制备与性能研究

发布时间：2020-05-19 17:03

【摘要】：现代电子信息、交通运输、电力能源等重大领域对铜基金属材料的综合性能提出越来越高的要求。传统铜合金通过合金强化方式可以提高纯铜的强度,但往往同时伴随着材料的塑韧性和导电/导热性能的下降。通过材料复合化途径,铜基复合材料充分发挥铜基体和增强体组分的协同效应,实现性能和结构优势的互补,因此是实现高综合性能的重要途径之一。以碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)和石墨烯(Graphene,GR)为代表的纳米碳材料具有特殊的纳米结构和一系列突出的物理化学性能,被视为金属基复合材料的理想增强体。特别是纳米碳材料的结构多样性和内在结构可相互转化的特性为纳米碳增强金属基复合材料(Nanocarbon-reinforced metal-matrix composites,NMCs)的构型设计提供了丰富的途径。本论文以开发高强高导铜基复合材料为研究目的,提出NMCs内在构型设计的概念,围绕NMCs领域的几个重要问题展开研究:1、纳米碳在铜基体中的均匀分散制备工艺;2、纳米碳增强体构型与复合材料界面、微结构、宏观性能之间的关系;3、纳米碳增强体对复合材料塑性变形及织构形成的影响。主要研究结果如下:一、从复合材料内在构型设计的研究思路出发,利用多壁碳纳米管(Multi-walled CNTs,MWCNTs)管壁可剪切、剥离的特性,设计和制备了回流氧化改性CNTs(Refluxed CNTs,R-CNTs)、多层碳纳米带(Carbon nanoribbons,CNRs)、石墨烯纳米带(Graphene nanoribbons,GNRs)、树叶状CNT-GNR复合物(Leaf-like CNT-GNR hybrids,LCGHs)四种不同结构的碳纳米构型。具体而言:1、针对MWCNTs只有最外层管壁参与载荷传递的问题,利用改进型Hummers方法将原始MWCNTs逐层氧化插层、剥离获得GNRs构型,以最大化地发挥MWCNTs每层管壁的强化作用。2、针对一般液相氧化处理方法对纳米碳结构和内在性能的破坏性问题,发展了一种的简单、高效、可控的硝酸蒸气气相氧化方法,通过沿轴向剪切打开MWCNTs获得高质量、多层CNRs原材料。同时通过对比传统液相回流氧化制备表面羧基化CNTs的氧化过程,确立了这种气相氧化过程的管状→带状结构转变机制和边部选择性氧化机制。3、受植物叶片结构-功能关系启发,利用Hummers方法氧化插层、控制剥离MWCNTs的最外几层,制备了一种树叶状CNT-GNR复合构型。二、在纳米碳构型设计和调控的基础上,确立溶液静电吸附共沉积+放电等离子烧结+大变形量热轧三步工艺路线用于制备均匀分散的块体NMCs,进而探究了构型变化对NMCs的界面结构、载荷/介质传递、强化机制的影响,拉伸/电学性能测试和微结构表征揭示了纳米碳构型与NMCs宏观力学/导电性能之间的关系。具体而言:1、GNRs结合了一维CNTs和二维GR的结构和性能特征,显示出特殊的同步增强纯铜强度、塑性和导电性的能力,为解决传统金属材料强度-塑性或强度-导电性的矛盾对立关系问题提供一条有力的途径。从界面-位错相互作用角度,结合强化机制、剪切-滞后理论和断口分析探讨了GNR/Cu高强高塑性的内在机制。2、CNRs显示出比R-CNTs更高的强度/电导率强化效率,突出了这种纳米管→带构型变化对铜基复合材料宏观性能的直接影响。结合断口分析和有限元模拟分析了构型-界面载荷传递-性能之间的关系,表明得益于平直且边缘锯齿状的几何结构、低氧化程度、高石墨结构完整性、高内在电导率等特点,气相氧化法所制备CGRs在应用于高强高导NMCs方面具有更好的潜力。3、LCGHs长直的“中脉”部分有效避免纳米碳的团聚,而“叶片”部分提供更大的表面承载面积和丰富的亲水氧化基团。树叶状LCGHs相比R-CNTs的载荷传递效率和强化效率都明显提高,证实这种纳米尺度的仿生内在构型设计可作为调控复合材料载荷传递效率和宏观力学性能的有效手段。利用有限元模拟,剪切-滞后模型和断口分析探究了相关力学和强化机制,表明复合材料的良好界面结合、增强体取向定向化、以及LCGHs的独特几何特征是载荷更有效传递的主要原因。三、以GNR/Cu体系为范例,探究了金属-纳米碳异质界面对复合材料热轧塑性变形过程中动态再结晶行为和织构形成的影响规律与作用机制。在低体积分数时(0.5vol.%),GNR/Cu界面的存在使得复合材料形成再结晶型织构,而在较高体积分数时(3 vol.%)形成黄铜型织构,这些都显著偏离纯Cu中形成的一般铜型织构。利用电子背散射衍射、透射电镜和KAM分析等实验手段以及粘塑性自洽多晶模拟,证实GNR/Cu界面会从阻碍位错正常滑移、激活非常规滑移、形成几何必须位错、促进DRX进程四个方面改变铜基体的织构形成过程。该研究表明引入异质界面可作为调控金属材料的变形组织、织构类型和力学性能的有效手段。
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第一章 绪 论功能化是金属材料发展的重要方向，也是国家划”等重大战略所布局的基础产业及高科技发需求。铜是最重要的有色金属材料之一，纯铜性、易于回收等优点，但力学强度和高温稳定约 190 MPa），，限制其在电力电子、装备制造、化方法通过固溶强化、沉淀强化、析出强化等方与此同时材料的塑性和导电/导热性能也会显著引线框架材料的强度可达 600 MPa，但电导率 m1k1，延伸率低至 3%[1, 2]。

于体积分数较小的材料一般采用粉末冶金强体的均匀分散，但这种方法流程较长、体积分数和成分难以控制。同颗粒增强类型铜基复合材料体系的归一可见增强体的加入可以显著提升铜基体的错运动（位错强化机制）。与此同时，颗粒金类似的倒置关系，其原因是颗粒增强体程中一方面颗粒通过阻碍位错滑移增强严重的变形不协调、产生微区位错堆积和能力，过早在界面微区发生变形局域化因
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB333


本文编号：2671205