碳纳米管分散增强AlN基复合材料的力学性能及增韧机制研究
发布时间：2022-01-27 03:09
文章以氮化铝（AlN）粉末为基体材料,以氧化钙（CaO）和氧化钇（Y2O3）为烧结助剂,掺杂酸洗处理后的多壁碳纳米管（CNTs）为增韧材料,采用机械球磨后热压烧结的方法制备氮化铝-碳纳米管（AlN-CNTs）复合材料。通过X射线衍射仪（X-ray diffraction,XRD）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）对AlN-CNTs复合材料的成分结构及微观形貌进行表征,并测试其物理力学性能。研究表明:随着烧结温度的升高,AlN-CNTs复合材料的力学性能也随之提升;在1 750℃的烧结温度下,随着碳纳米管质量分数的增加,AlN-CNTs复合材料的抗弯强度和断裂韧性先上升后下降,且当碳纳米管质量分数为1%时复合材料的力学性能最佳。碳纳米管在AlN-CNTs复合材料中的增韧机制主要是碳纳米管的拔出、碳纳米管的桥连和裂纹的偏转。
【文章来源】：合肥工业大学学报(自然科学版). 2020,43(10)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
AlN-CNTs复合材料的XRD图谱
不同烧结温度(1 600、1 650、1 700、1 750 ℃)对碳纳米管质量分数为1%的AlN-CNTs复合材料断口形貌的影响如图2所示。从图2a可以看出,复合粉体经过1 600 ℃烧结后所得AlN-CNTs复合材料存在很多孔隙,而且晶粒生长不完全,晶粒之间界面结合较弱。由于烧结温度低,复合材料的性能也较差。
从图3d可以看出碳纳米管的拔出,但由于碳纳米管添加量过多,部分碳纳米管发生了团聚(如图中白色箭头所示),从而导致了复合材料力学性能的下降。碳纳米管质量分数对经1 750 ℃烧结所得AlN-CNTs复合材料物理力学性能的影响见表3所示。从表3可以看出,未添加碳纳米管时,材料烧结致密,实际密度接近理论密度,其致密度达到了99.5%。这主要是由于烧结助剂Y2O3、CaO与AlN颗粒表面的Al2O3发生反应生成了液相。液相的生成有助于提高烧结的驱动力,促进了烧结时的传质过程,加速了材料的致密化。在氮化铝基体中添加了碳纳米管后,AlN-CNTs复合材料的致密度开始下降。由于碳纳米管添加到氮化铝基体中后,一部分碳纳米管会存在于晶界,这会阻碍复合材料的致密化,而且碳纳米管的添加量达到一定程度后继续添加碳纳米管则会导致碳纳米管发生团聚。因此随着碳纳米管质量分数的增加,复合材料的致密度逐渐下降。未添加碳纳米管时,材料的硬度为10.1 GPa;当添加碳纳米管后,复合材料的硬度随着碳纳米管质量分数的增加开始下降,AlN-CNTs复合材料致密度的下降导致了其硬度的下降。随着碳纳米管质量分数的增加,AlN-CNTs复合材料的抗弯强度呈先上升后下降的趋势。未添加碳纳米管时,材料的抗弯强度为318.5 MPa;当碳纳米管质量分数为1%时,AlN-CNTs复合材料的抗弯强度达到了346.5 MPa。抗弯强度的提升源于碳纳米管的桥连,但单纯依靠部分碳纳米管的桥连作用,抗弯强度提升不明显:继续添加碳纳米管,碳纳米管发生团聚,导致抗弯强度下降。AlN-CNTs复合材料的断裂韧性与抗弯强度类似,随着碳纳米管质量分数的增加,也呈先上升后下降的趋势。未添加碳纳米管时,复合材料的断裂韧性为3.35 MPa·m1/2;当碳纳米管质量分数为1%时,AlN-CNTs复合材料的断裂韧性达到了3.89 MPa·m1/2,相对于未添加碳纳米管时提高了16%。复合材料断裂韧性的提升源于碳纳米管的桥连、裂纹的偏转以及碳纳米管的拔出。继续添加碳纳米管,由于碳纳米管发生团聚,AlN-CNTs复合材料的断裂韧性开始下降。
本文编号：3611639
【文章来源】：合肥工业大学学报(自然科学版). 2020,43(10)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
AlN-CNTs复合材料的XRD图谱
不同烧结温度(1 600、1 650、1 700、1 750 ℃)对碳纳米管质量分数为1%的AlN-CNTs复合材料断口形貌的影响如图2所示。从图2a可以看出,复合粉体经过1 600 ℃烧结后所得AlN-CNTs复合材料存在很多孔隙,而且晶粒生长不完全,晶粒之间界面结合较弱。由于烧结温度低,复合材料的性能也较差。
从图3d可以看出碳纳米管的拔出,但由于碳纳米管添加量过多,部分碳纳米管发生了团聚(如图中白色箭头所示),从而导致了复合材料力学性能的下降。碳纳米管质量分数对经1 750 ℃烧结所得AlN-CNTs复合材料物理力学性能的影响见表3所示。从表3可以看出,未添加碳纳米管时,材料烧结致密,实际密度接近理论密度,其致密度达到了99.5%。这主要是由于烧结助剂Y2O3、CaO与AlN颗粒表面的Al2O3发生反应生成了液相。液相的生成有助于提高烧结的驱动力,促进了烧结时的传质过程,加速了材料的致密化。在氮化铝基体中添加了碳纳米管后,AlN-CNTs复合材料的致密度开始下降。由于碳纳米管添加到氮化铝基体中后,一部分碳纳米管会存在于晶界,这会阻碍复合材料的致密化,而且碳纳米管的添加量达到一定程度后继续添加碳纳米管则会导致碳纳米管发生团聚。因此随着碳纳米管质量分数的增加,复合材料的致密度逐渐下降。未添加碳纳米管时,材料的硬度为10.1 GPa;当添加碳纳米管后,复合材料的硬度随着碳纳米管质量分数的增加开始下降,AlN-CNTs复合材料致密度的下降导致了其硬度的下降。随着碳纳米管质量分数的增加,AlN-CNTs复合材料的抗弯强度呈先上升后下降的趋势。未添加碳纳米管时,材料的抗弯强度为318.5 MPa;当碳纳米管质量分数为1%时,AlN-CNTs复合材料的抗弯强度达到了346.5 MPa。抗弯强度的提升源于碳纳米管的桥连,但单纯依靠部分碳纳米管的桥连作用,抗弯强度提升不明显:继续添加碳纳米管,碳纳米管发生团聚,导致抗弯强度下降。AlN-CNTs复合材料的断裂韧性与抗弯强度类似,随着碳纳米管质量分数的增加,也呈先上升后下降的趋势。未添加碳纳米管时,复合材料的断裂韧性为3.35 MPa·m1/2;当碳纳米管质量分数为1%时,AlN-CNTs复合材料的断裂韧性达到了3.89 MPa·m1/2,相对于未添加碳纳米管时提高了16%。复合材料断裂韧性的提升源于碳纳米管的桥连、裂纹的偏转以及碳纳米管的拔出。继续添加碳纳米管,由于碳纳米管发生团聚,AlN-CNTs复合材料的断裂韧性开始下降。
本文编号：3611639
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