碳纳米管增强铝基复合材料制备与力学性能研究
发布时间：2021-04-20 19:35
碳纳米管因具有优越的力学性能和物理性能而受到广泛的关注,是铝基复合材料的理想增强相。选择合适的工艺方法提高碳纳米管在金属基体中的分散性是制备碳纳米管增强铝基复合材料的关键所在。本文通过传统熔铸与高能超声的结合制备工艺,探索制备碳纳米管增强铝硅合金的方法。同时,还对碳纳米管表面进行了包覆处理,以达到增加碳纳米管与铝基体润湿性的目的。后期对0.9 wt.%CNTs/A356铝基复合材料进行热挤压变形。系统地研究了不同挤压温度以及挤压比对材料显微组织以及不同工艺条件下制备的复合材料磨损性能变化。主要内容有:（1）碳纳米管需要以预制材料形式加入到合金熔体中,通过比对高能超声处理以及传统搅拌分散法可知高能超声相比机械搅拌更能分散熔体中的碳纳米管。（2）通过探索在不同超声功率以及不同碳纳米管的添加量制备CNTs/A356铝基复合材料。实验结果表明:在本实验条件下,通过超声辅助搅拌铸造法制备CNTs/A356铝基复合材料的最优工艺为超声功率2.1Kw以及加入量为0.9 wt.%。（3）加入碳纳米管可一定程度上减小复合材料的晶粒度。最优工艺参数下的复合材料屈服强度为202MPa,抗拉强度为261MPa...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 碳纳米管的结构与特性
1.2.1 碳纳米管特性
1.2.2 碳纳米管的结构
1.2.3 碳纳米管在复合材料中的应用
1.3 铝基复合材料应用
1.3.1 铝基复合材料的基本概述
1.3.2 铝基复合材料增强相的选择
1.4 碳纳米管/铝基复合材料
1.4.1 碳纳米管/铝基复合材料研究现状
1.4.2 碳纳米管/金属基复合材料的制备方法
1.5 超声搅拌法在金属基复合材料中的应用
1.5.1 高能超声在金属熔体中的机理
1.5.2 高能超声搅拌在金属基复合材料制备领域的应用
1.6 碳纳米管/铝基复合材料的强化机制
1.6.1 承载强化机制
1.6.2 位错强化机制
1.6.3 奥罗万强化机制
1.6.4 细晶强化模型
1.7 本文研究内容与研究意义
1.7.1 本文研究内容
1.7.2 本文研究意义
第二章 实验材料与工艺方法
2.1 引言
2.2 实验材料
2.2.1 基体材料选择
2.2.2 增强相选择
2.3 主要仪器
2.4 实验方案
2.4.1 工艺技术路线制定
2.4.2 中间纳米材料的制备
2.4.3 材料制备方法
2.4.4 复合材料热挤压
2.5 组织形貌及成分分析
2.5.1 金相组织观察
2.5.2 透射电镜
2.5.3 X射线衍射分析
2.6 复合材料性能测试
2.6.1 增强相润湿角测试
2.6.2 合金拉伸性能性能实验
2.6.3 显微硬度测定
2.6.4 磨损实验/磨损设备及试样制备
第三章 碳纳米管增强铝基复合材料的制备工艺及增强机理
3.1 引言
3.2 CNTs/A356纳米复合材料的XRD分析比较
3.3 CNTs/A356纳米复合材料的显微组织研究
3.4 超声对CNTs分散性的影响及机理研究
3.4.1 超声对CNTs/A356复合材料组织的影响
3.4.2 超声功率对复合材料硬度及拉伸性能的影响
3.4.3 碳纳米管含量对复合材料显微组织的影响
3.4.4 碳纳米管含量对复合材料力学性能的影响
3.4.5 CNTs/A356铝基复合材料拉伸断口分析
3.5 超声作用下纳米增强相的动力分散机制
3.6 复合材料增强机制
3.6.1 位错强化
3.6.2 细晶强化
3.6.3 直接承载强化
3.7 本章小结
第四章 碳纳米管表面包覆氧化钛改性处理
4.1 引言
4.2 具体实验方法
4.3 结果与讨论
4.3.1 红外光谱及XRD分析
2@CNTs微观形貌分析"> 4.3.2 TiO2@CNTs微观形貌分析
2的机理分析"> 4.3.3 碳材料包覆TiO2的机理分析
2的拉曼光谱分析"> 4.3.4 CNTs包覆TiO2的拉曼光谱分析
2后的CNTs与铝合金的润湿性能分析"> 4.3.5 包覆TiO2后的CNTs与铝合金的润湿性能分析
4.4 本章小结
第五章 包覆氧化钛的碳纳米管/A356铝基复合材料显微组织及力学性能
5.1 引言
5.2 碳纳米管镀氧化钛的透射组织分析
5.3 碳纳米管镀氧化钛对复合材料组织的影响
5.4 碳纳米管含量对复合材料组织的影响
2@CNTs/A356铝基复合材料的XRD分析"> 5.5 TiO2@CNTs/A356铝基复合材料的XRD分析
5.6 复合材料力学性能
2@CNTs/A356铝基复合材料断口形貌分析"> 5.7 TiO2@CNTs/A356铝基复合材料断口形貌分析
2@CNTs/A356铝基复合材料强化机理分析"> 5.8 TiO2@CNTs/A356铝基复合材料强化机理分析
5.9 本章小结
第六章 挤压工艺对复合材料组织及力学性能影响
6.1 引言
6.2 热挤压工艺参数设置
6.3 挤压温度对碳纳米管分布的影响
6.4 挤压温度对复合材料力学性能的影响
6.5 挤压比对复合材料显微组织的影响
6.6 挤压比对复合材料力学性能的影响
6.7 复合材料断口分析
6.8 本章小结
第七章 碳纳米管对复合材料摩擦磨损性能的影响
7.1 引言
7.2 碳纳米管对A356铝合金磨损性能影响
7.2.1 碳纳米管含量对铝合金的磨损性能的影响
7.2.2 碳纳米管含量对复合材料磨损面形貌影响
7.2.3 复合材料在不同载荷下的磨损性能
7.3 包覆后碳纳米管对复合材料磨损性能的影响
7.3.1 碳纳米管含量对复合材料磨损性能影响
7.3.2 包覆碳纳米管铝基复合材料磨损面形貌
7.4 挤压工艺对复合材料磨损性能的影响
7.4.1 经热挤压后的复合材料磨损性能
7.4.2 挤压工艺对铝基复合材料磨损面形貌影响
7.5 磨损机理分析
7.6 本章小结
第八章 结论与展望
8.1 结论
8.2 本文创新点
8.3 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纳米管-聚丙烯腈纳米纤维膜的制备及对亚甲基蓝的吸附[J]. 黄永兰,郭迪. 水处理技术. 2018(01)
[2]Fabrication of Carbon Nanotube-Reinforced 6061Al Alloy Matrix Composites by an In Situ Synthesis Method Combined with Hot Extrusion Technique[J]. Chun-Nian He,Chao Feng,Ji-Chuan Lin,En-Zuo Liu,Chun-Sheng Shi,Jia-Jun Li,Nai-Qin Zhao. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(02)
[3]碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维制备工艺研究[J]. 季春晓. 石油化工技术与经济. 2015(03)
[4]挤压比对热挤压成型铝铁铜合金组织与拉伸性能的影响[J]. 黄珂,郭磊,杨伏良,马凯,刘鹏,柳公器. 机械工程材料. 2015(04)
[5]多壁碳纳米管在红外波段的散射特性研究[J]. 王玥,张丽颖,王暄,刘倩,刘鑫,吴群. 红外与毫米波学报. 2014(06)
[6]自清洁氟碳铝单板用N-TiO2薄膜制备工艺参数优化[J]. 霍明,闫洪,艾凡荣. 功能材料. 2014(19)
[7]铜包覆多壁碳纳米管增强铝基复合材料的制备及力学性能[J]. 王筱峻,杨锐,陈名海,李清文,刘宁. 兵器材料科学与工程. 2014(02)
[8]Ni-P-多壁碳纳米管复合镀层的制备及自润滑机理[J]. 孟振强,熊拥军,刘如铁,赵福安,李溪滨. 中南大学学报(自然科学版). 2012(09)
[9]超声处理对原位Mg2Si/AM60复合材料的影响[J]. 贺儒,闫洪. 特种铸造及有色合金. 2012(07)
[10]高能球磨法制备的碳纳米管增强铝基复合材料的微观组织和力学性能[J]. 许世娇,肖伯律,刘振宇,王文广,马宗义. 金属学报. 2012(07)
博士论文
[1]纳米颗粒增强铝基复合材料的制备及其半固态模锻成形研究[D]. 陈小会.南昌大学 2016
[2]纳米SiC增强铝基复合材料的粉末冶金法制备及其力学性能[D]. 王治国.吉林大学 2016
[3]碳纳米管增强复合材料的制备与力学性能研究[D]. 亚斌.大连理工大学 2016
[4]碳纳米管（CNT）增强铝基复合材料的粉末冶金法制备及其力学性能[D]. 祝先.吉林大学 2016
[5]纳米碳材料增强AZ91镁基复合材料制备与性能研究[D]. 袁秋红.南昌大学 2016
[6]提升A356铝合金性能及其摩擦磨损行为热疲劳行为的研究[D]. 王正军.江苏大学 2016
[7]碳纳米管增强铝基复合材料的机械分散制备及其组织性能研究[D]. 刘振宇.大连理工大学 2014
[8]碳纳米管增强铝基复合材料的无压渗透法制备及性能研究[D]. 周胜名.浙江大学 2009
[9]碳纳米管在铝基体上原位合成及其复合材料的组织与性能[D]. 李海鹏.天津大学 2008
[10]碳纳米管增强铝基复合材料的制备及组织性能研究[D]. 邓春锋.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]搅拌摩擦加工CNTs/7075铝基复合材料沉淀相及组织稳定性研究[D]. 钱涛.南昌航空大学 2016
[2]AZ31镁合金颗粒增强TIG焊接头微观组织与力学性能研究[D]. 罗雄.重庆大学 2016
[3]熔体铝与非金属基底润湿性研究[D]. 李文飞.沈阳航空航天大学 2016
[4]Sm及CNTs在铝硅合金中的应用及性能研究[D]. 邱鸿旭.南昌大学 2015
[5]TiB2颗粒对铝基复合材料变形过程的影响[D]. 但承益.上海交通大学 2015
[6]钛合金表面硅烷碳纳米管复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究[D]. 方磊.上海交通大学 2013
[7]镍包覆碳纳米管及其增强镁基复合材料的研究[D]. 石刚.兰州理工大学 2012
[8]Nb/Nb5Si3原位复合材料的强化研究[D]. 林志斌.南昌航空大学 2011
[9]原位自生碳纳米管/铝复合粉末的制备[D]. 徐信.上海交通大学 2010
[10]碳纳米管薄膜的浸渍－吸附方法制备[D]. 郭敏.天津大学 2009
本文编号：3150272
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 碳纳米管的结构与特性
1.2.1 碳纳米管特性
1.2.2 碳纳米管的结构
1.2.3 碳纳米管在复合材料中的应用
1.3 铝基复合材料应用
1.3.1 铝基复合材料的基本概述
1.3.2 铝基复合材料增强相的选择
1.4 碳纳米管/铝基复合材料
1.4.1 碳纳米管/铝基复合材料研究现状
1.4.2 碳纳米管/金属基复合材料的制备方法
1.5 超声搅拌法在金属基复合材料中的应用
1.5.1 高能超声在金属熔体中的机理
1.5.2 高能超声搅拌在金属基复合材料制备领域的应用
1.6 碳纳米管/铝基复合材料的强化机制
1.6.1 承载强化机制
1.6.2 位错强化机制
1.6.3 奥罗万强化机制
1.6.4 细晶强化模型
1.7 本文研究内容与研究意义
1.7.1 本文研究内容
1.7.2 本文研究意义
第二章 实验材料与工艺方法
2.1 引言
2.2 实验材料
2.2.1 基体材料选择
2.2.2 增强相选择
2.3 主要仪器
2.4 实验方案
2.4.1 工艺技术路线制定
2.4.2 中间纳米材料的制备
2.4.3 材料制备方法
2.4.4 复合材料热挤压
2.5 组织形貌及成分分析
2.5.1 金相组织观察
2.5.2 透射电镜
2.5.3 X射线衍射分析
2.6 复合材料性能测试
2.6.1 增强相润湿角测试
2.6.2 合金拉伸性能性能实验
2.6.3 显微硬度测定
2.6.4 磨损实验/磨损设备及试样制备
第三章 碳纳米管增强铝基复合材料的制备工艺及增强机理
3.1 引言
3.2 CNTs/A356纳米复合材料的XRD分析比较
3.3 CNTs/A356纳米复合材料的显微组织研究
3.4 超声对CNTs分散性的影响及机理研究
3.4.1 超声对CNTs/A356复合材料组织的影响
3.4.2 超声功率对复合材料硬度及拉伸性能的影响
3.4.3 碳纳米管含量对复合材料显微组织的影响
3.4.4 碳纳米管含量对复合材料力学性能的影响
3.4.5 CNTs/A356铝基复合材料拉伸断口分析
3.5 超声作用下纳米增强相的动力分散机制
3.6 复合材料增强机制
3.6.1 位错强化
3.6.2 细晶强化
3.6.3 直接承载强化
3.7 本章小结
第四章 碳纳米管表面包覆氧化钛改性处理
4.1 引言
4.2 具体实验方法
4.3 结果与讨论
4.3.1 红外光谱及XRD分析
2@CNTs微观形貌分析"> 4.3.2 TiO2@CNTs微观形貌分析
2的机理分析"> 4.3.3 碳材料包覆TiO2的机理分析
2的拉曼光谱分析"> 4.3.4 CNTs包覆TiO2的拉曼光谱分析
2后的CNTs与铝合金的润湿性能分析"> 4.3.5 包覆TiO2后的CNTs与铝合金的润湿性能分析
4.4 本章小结
第五章 包覆氧化钛的碳纳米管/A356铝基复合材料显微组织及力学性能
5.1 引言
5.2 碳纳米管镀氧化钛的透射组织分析
5.3 碳纳米管镀氧化钛对复合材料组织的影响
5.4 碳纳米管含量对复合材料组织的影响
2@CNTs/A356铝基复合材料的XRD分析"> 5.5 TiO2@CNTs/A356铝基复合材料的XRD分析
5.6 复合材料力学性能
2@CNTs/A356铝基复合材料断口形貌分析"> 5.7 TiO2@CNTs/A356铝基复合材料断口形貌分析
2@CNTs/A356铝基复合材料强化机理分析"> 5.8 TiO2@CNTs/A356铝基复合材料强化机理分析
5.9 本章小结
第六章 挤压工艺对复合材料组织及力学性能影响
6.1 引言
6.2 热挤压工艺参数设置
6.3 挤压温度对碳纳米管分布的影响
6.4 挤压温度对复合材料力学性能的影响
6.5 挤压比对复合材料显微组织的影响
6.6 挤压比对复合材料力学性能的影响
6.7 复合材料断口分析
6.8 本章小结
第七章 碳纳米管对复合材料摩擦磨损性能的影响
7.1 引言
7.2 碳纳米管对A356铝合金磨损性能影响
7.2.1 碳纳米管含量对铝合金的磨损性能的影响
7.2.2 碳纳米管含量对复合材料磨损面形貌影响
7.2.3 复合材料在不同载荷下的磨损性能
7.3 包覆后碳纳米管对复合材料磨损性能的影响
7.3.1 碳纳米管含量对复合材料磨损性能影响
7.3.2 包覆碳纳米管铝基复合材料磨损面形貌
7.4 挤压工艺对复合材料磨损性能的影响
7.4.1 经热挤压后的复合材料磨损性能
7.4.2 挤压工艺对铝基复合材料磨损面形貌影响
7.5 磨损机理分析
7.6 本章小结
第八章 结论与展望
8.1 结论
8.2 本文创新点
8.3 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纳米管-聚丙烯腈纳米纤维膜的制备及对亚甲基蓝的吸附[J]. 黄永兰,郭迪. 水处理技术. 2018(01)
[2]Fabrication of Carbon Nanotube-Reinforced 6061Al Alloy Matrix Composites by an In Situ Synthesis Method Combined with Hot Extrusion Technique[J]. Chun-Nian He,Chao Feng,Ji-Chuan Lin,En-Zuo Liu,Chun-Sheng Shi,Jia-Jun Li,Nai-Qin Zhao. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(02)
[3]碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维制备工艺研究[J]. 季春晓. 石油化工技术与经济. 2015(03)
[4]挤压比对热挤压成型铝铁铜合金组织与拉伸性能的影响[J]. 黄珂,郭磊,杨伏良,马凯,刘鹏,柳公器. 机械工程材料. 2015(04)
[5]多壁碳纳米管在红外波段的散射特性研究[J]. 王玥,张丽颖,王暄,刘倩,刘鑫,吴群. 红外与毫米波学报. 2014(06)
[6]自清洁氟碳铝单板用N-TiO2薄膜制备工艺参数优化[J]. 霍明,闫洪,艾凡荣. 功能材料. 2014(19)
[7]铜包覆多壁碳纳米管增强铝基复合材料的制备及力学性能[J]. 王筱峻,杨锐,陈名海,李清文,刘宁. 兵器材料科学与工程. 2014(02)
[8]Ni-P-多壁碳纳米管复合镀层的制备及自润滑机理[J]. 孟振强,熊拥军,刘如铁,赵福安,李溪滨. 中南大学学报(自然科学版). 2012(09)
[9]超声处理对原位Mg2Si/AM60复合材料的影响[J]. 贺儒,闫洪. 特种铸造及有色合金. 2012(07)
[10]高能球磨法制备的碳纳米管增强铝基复合材料的微观组织和力学性能[J]. 许世娇,肖伯律,刘振宇,王文广,马宗义. 金属学报. 2012(07)
博士论文
[1]纳米颗粒增强铝基复合材料的制备及其半固态模锻成形研究[D]. 陈小会.南昌大学 2016
[2]纳米SiC增强铝基复合材料的粉末冶金法制备及其力学性能[D]. 王治国.吉林大学 2016
[3]碳纳米管增强复合材料的制备与力学性能研究[D]. 亚斌.大连理工大学 2016
[4]碳纳米管（CNT）增强铝基复合材料的粉末冶金法制备及其力学性能[D]. 祝先.吉林大学 2016
[5]纳米碳材料增强AZ91镁基复合材料制备与性能研究[D]. 袁秋红.南昌大学 2016
[6]提升A356铝合金性能及其摩擦磨损行为热疲劳行为的研究[D]. 王正军.江苏大学 2016
[7]碳纳米管增强铝基复合材料的机械分散制备及其组织性能研究[D]. 刘振宇.大连理工大学 2014
[8]碳纳米管增强铝基复合材料的无压渗透法制备及性能研究[D]. 周胜名.浙江大学 2009
[9]碳纳米管在铝基体上原位合成及其复合材料的组织与性能[D]. 李海鹏.天津大学 2008
[10]碳纳米管增强铝基复合材料的制备及组织性能研究[D]. 邓春锋.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]搅拌摩擦加工CNTs/7075铝基复合材料沉淀相及组织稳定性研究[D]. 钱涛.南昌航空大学 2016
[2]AZ31镁合金颗粒增强TIG焊接头微观组织与力学性能研究[D]. 罗雄.重庆大学 2016
[3]熔体铝与非金属基底润湿性研究[D]. 李文飞.沈阳航空航天大学 2016
[4]Sm及CNTs在铝硅合金中的应用及性能研究[D]. 邱鸿旭.南昌大学 2015
[5]TiB2颗粒对铝基复合材料变形过程的影响[D]. 但承益.上海交通大学 2015
[6]钛合金表面硅烷碳纳米管复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究[D]. 方磊.上海交通大学 2013
[7]镍包覆碳纳米管及其增强镁基复合材料的研究[D]. 石刚.兰州理工大学 2012
[8]Nb/Nb5Si3原位复合材料的强化研究[D]. 林志斌.南昌航空大学 2011
[9]原位自生碳纳米管/铝复合粉末的制备[D]. 徐信.上海交通大学 2010
[10]碳纳米管薄膜的浸渍－吸附方法制备[D]. 郭敏.天津大学 2009
本文编号：3150272
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