CNTs/Ti仿生叠层复合材料制备与力学特性原位表征
发布时间：2021-11-18 20:53
钛基复合材料具有高比强度、高比模量和良好的高温性能等优点,契合航空航天和高性能汽车等多个领域对于轻质耐热高强结构材料的要求,呈现出巨大的应用前景。但传统增强相均匀分布的钛基复合材料存在强度-塑（韧）性倒置的瓶颈问题,严重限制其应用。本文基于以上问题,利用电泳沉积结合SPS烧结与控温轧制,成功制备出综合性能优异的CNTs/Ti仿生叠层复合材料。首先,利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）对其微观组织、层间界面以及CNTs/Ti界面等进行了系统表征,并对CNTs/Ti仿生叠层复合材料的力学性能进行了评估。随后,利用数字图像相关法（DIC）结合SEM原位加载技术探讨了CNTs/Ti仿生叠层复合材料在拉伸变形过程中的应变演变规律。最后,借助配置原位拉伸系统的SEM与三维X射线显微镜（XRM）表征了CNTs/Ti仿生叠层复合材料的断裂特性,包括裂纹萌生、扩展及失稳等。通过优化电泳沉积参数（电压30V/沉积时间15s）可以将单根分散的CNTs成功沉积至Ti箔表面,获得单层CNTs/Ti复合箔;随后将若干单层CNTs/Ti复合箔叠层排列进行放电等离子烧结（SPS,工艺为600℃/50...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CNTs/Ti复合材料工艺流程图[30]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文–5–成中CNTs部分转化为Al4C3。Yang等[35]研究了球磨工艺对CNTs增强铝基复合材料其微观组织以及力学性能的影响，通过球磨结合粉末冶金法成功制备材料，并通过改变球磨工艺研究获得，90min球磨后复合材材料的强韧性匹配最佳，材料的组织最为致密。Munir等[36]应用超声辅助高能球磨工艺成功制备CNTs/Ti，其制备工艺图如图1-2所示。通过该方法较单纯依靠高能球磨而言，实现了CNTs在钛基体中的均匀分散，CNTs的团聚程度减小，并且通过前期的超声辅助，以及调整高能球磨的工艺参数，减小了CNTs的损伤。图1-2超声辅助高能球磨制备CNTs/Ti复合材料工艺示意图[36]电泳沉积（EPD）在涂层制备中广泛应用，并且通过电泳沉积可以获得厚度均匀且分散良好的CNTs涂层[37,38]。EPD制备CNTs涂层技术已应用于多种材料的研究中，其工艺相对成熟。并且与其他的分散工艺相比，EPD对CNTs形成损伤小，涂层厚度均匀可控，也即CNTs的含量可控并且分布均匀，这在复合材料制备中至关重要。已有许多研究者将其应用于CNTs/MMCs的制备研究中。Fraczek-Szczypta等[39]采用电泳沉积技术（EPD）制备了多壁碳纳米管（MWCNTs）碳涂层。沉积前对MWCNTs进行纯化和表面功能化，使得碳纳米管表面含有氧官能团。实验在两个模型系统中进行，对两种涂层进行了结构分析。指出涂层的结构是不同的，包括结构布置程度不同，涂层中氧碳化合物的类型也有本质的不同，主要取决于所应用的悬浮液的类型，证明了悬浮液的重要性。Shimizu等[40]使用共沉积电镀技术来制备Cu/SWCNT复合材料。利用阳离子表面活性剂和剪切应力雾化过程，SWCNTs被成功地固定在Cu金属基体内形成Cu/SWCNT薄片，而SWCNTs的结晶度没有显著降低。多层Cu-Cu/SWCNT-Cu箔与未添加SWCNT
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文–7–米尺寸存在时，可以提高材料的界面结合强度实现更好地载荷传递。Kondoh等[48-50]同样采用湿法工艺有效地将CNTs涂覆在Ti粉末表面，并将其组装成P/M挤出的钛复合材料。在制备过程中原位形成长球形的TiC颗粒也均匀分布在基体中，研究结果证明了TiC颗粒以及碳纳米管的加入显著改善了TMC的力学性能。图1-3在873K(a,b)0.1h和(c,d)0.5h时(a)MWCNT/Al的HAAD图；(b)(a)中正方形位置MWCNT/Al复合材料的微观结构；(c)形成的Al4C3；(d)为(c)中正方形位置MWCNT/Al复合材料的微观结构[46]1.3数字图像关联技术研究及应用现状在材料科学研究中，对于材料变形的研究众多，而与材料的塑性变形密切相关的是其变形过程中材料所携带的应变信息。应变信息在材料变形规律的研究中具有重要作用。应变信息的采集手段主要分为非接触式和接触式。其中传统电阻应变片测量法，主要是通过测量应变片在材料变形而产生的电阻变化对应的电信号，得到应变信息。但是其测量范围具有典型的点单一性，对于应变信息的采集存在明显的不足。而对于非接触式的干涉（非干涉）测量技术而言，干涉测量技术所需要具备的干涉光源本身光路较为复杂，且外界震动极易影响其测量结果的准确性，应用受到了极大地限制。而非干涉测量技术（数字图像相关法和网格法等）相对的对所
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字图像相关和等应力假设研究2A12-T4铝合金FSW接头的局部力学行为[J]. 回丽,温延泽,王磊,赵新华. 机械工程材料. 2019(09)
[2]基于数字图像相关方法的拉应力作用下圆孔受力分析[J]. 杨立云,刘振坤,周莹莹,包仕俊,张勇进. 化工矿物与加工. 2018(09)
[3]球磨工艺对原位合成碳纳米管增强铝基复合材料微观组织和力学性能的影响[J]. 杨旭东,陈亚军,师春生,赵乃勤. 材料工程. 2017(09)
[4]用于车身材料力学试验的非接触测量系统开发[J]. 汪凯,夏勇,顾功尧,王元博,周青. 汽车工程. 2008(11)
[5]数字图像相关分析法增量位移场测试技术[J]. 方钦志,李慧敏,王铁军. 应用力学学报. 2007(04)
硕士论文
[1]基于高速DIC方法的脆性材料动态力学性能研究[D]. 陈静静.北京理工大学 2014
本文编号：3503596
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CNTs/Ti复合材料工艺流程图[30]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文–5–成中CNTs部分转化为Al4C3。Yang等[35]研究了球磨工艺对CNTs增强铝基复合材料其微观组织以及力学性能的影响，通过球磨结合粉末冶金法成功制备材料，并通过改变球磨工艺研究获得，90min球磨后复合材材料的强韧性匹配最佳，材料的组织最为致密。Munir等[36]应用超声辅助高能球磨工艺成功制备CNTs/Ti，其制备工艺图如图1-2所示。通过该方法较单纯依靠高能球磨而言，实现了CNTs在钛基体中的均匀分散，CNTs的团聚程度减小，并且通过前期的超声辅助，以及调整高能球磨的工艺参数，减小了CNTs的损伤。图1-2超声辅助高能球磨制备CNTs/Ti复合材料工艺示意图[36]电泳沉积（EPD）在涂层制备中广泛应用，并且通过电泳沉积可以获得厚度均匀且分散良好的CNTs涂层[37,38]。EPD制备CNTs涂层技术已应用于多种材料的研究中，其工艺相对成熟。并且与其他的分散工艺相比，EPD对CNTs形成损伤小，涂层厚度均匀可控，也即CNTs的含量可控并且分布均匀，这在复合材料制备中至关重要。已有许多研究者将其应用于CNTs/MMCs的制备研究中。Fraczek-Szczypta等[39]采用电泳沉积技术（EPD）制备了多壁碳纳米管（MWCNTs）碳涂层。沉积前对MWCNTs进行纯化和表面功能化，使得碳纳米管表面含有氧官能团。实验在两个模型系统中进行，对两种涂层进行了结构分析。指出涂层的结构是不同的，包括结构布置程度不同，涂层中氧碳化合物的类型也有本质的不同，主要取决于所应用的悬浮液的类型，证明了悬浮液的重要性。Shimizu等[40]使用共沉积电镀技术来制备Cu/SWCNT复合材料。利用阳离子表面活性剂和剪切应力雾化过程，SWCNTs被成功地固定在Cu金属基体内形成Cu/SWCNT薄片，而SWCNTs的结晶度没有显著降低。多层Cu-Cu/SWCNT-Cu箔与未添加SWCNT
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文–7–米尺寸存在时，可以提高材料的界面结合强度实现更好地载荷传递。Kondoh等[48-50]同样采用湿法工艺有效地将CNTs涂覆在Ti粉末表面，并将其组装成P/M挤出的钛复合材料。在制备过程中原位形成长球形的TiC颗粒也均匀分布在基体中，研究结果证明了TiC颗粒以及碳纳米管的加入显著改善了TMC的力学性能。图1-3在873K(a,b)0.1h和(c,d)0.5h时(a)MWCNT/Al的HAAD图；(b)(a)中正方形位置MWCNT/Al复合材料的微观结构；(c)形成的Al4C3；(d)为(c)中正方形位置MWCNT/Al复合材料的微观结构[46]1.3数字图像关联技术研究及应用现状在材料科学研究中，对于材料变形的研究众多，而与材料的塑性变形密切相关的是其变形过程中材料所携带的应变信息。应变信息在材料变形规律的研究中具有重要作用。应变信息的采集手段主要分为非接触式和接触式。其中传统电阻应变片测量法，主要是通过测量应变片在材料变形而产生的电阻变化对应的电信号，得到应变信息。但是其测量范围具有典型的点单一性，对于应变信息的采集存在明显的不足。而对于非接触式的干涉（非干涉）测量技术而言，干涉测量技术所需要具备的干涉光源本身光路较为复杂，且外界震动极易影响其测量结果的准确性，应用受到了极大地限制。而非干涉测量技术（数字图像相关法和网格法等）相对的对所
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字图像相关和等应力假设研究2A12-T4铝合金FSW接头的局部力学行为[J]. 回丽,温延泽,王磊,赵新华. 机械工程材料. 2019(09)
[2]基于数字图像相关方法的拉应力作用下圆孔受力分析[J]. 杨立云,刘振坤,周莹莹,包仕俊,张勇进. 化工矿物与加工. 2018(09)
[3]球磨工艺对原位合成碳纳米管增强铝基复合材料微观组织和力学性能的影响[J]. 杨旭东,陈亚军,师春生,赵乃勤. 材料工程. 2017(09)
[4]用于车身材料力学试验的非接触测量系统开发[J]. 汪凯,夏勇,顾功尧,王元博,周青. 汽车工程. 2008(11)
[5]数字图像相关分析法增量位移场测试技术[J]. 方钦志,李慧敏,王铁军. 应用力学学报. 2007(04)
硕士论文
[1]基于高速DIC方法的脆性材料动态力学性能研究[D]. 陈静静.北京理工大学 2014
本文编号：3503596
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