碳纳米管表面处理及其在铜基复合材料中的应用

碳纳米管因特殊结构带来的优异性能而被海内外学者广泛关注,以碳纳米管为增强相制备铜基复合材料是使铜基导体同时具有高强度和高导电性能的有效途径。然而,由于碳纳米管表面能高、表面反应活性低,碳纳米管/铜复合材料制备的过程中存在增强体分散性差和界面结合强度弱两大问题,从而阻碍了复合材料高性能的实现。在碳纳米管/铜复合材料的制备过程中,采用适当的方法对碳纳米管进行表面处理能改变碳纳米管的表面结构和反应活性,在改善碳纳米管的分散性的同时增强碳纳米管与铜基体的界面结合,从而提高碳纳米管的增强效率,保证复合材料良好的综合性能。然而,表面处理过程可能会破坏碳纳米管的结构完整性,影响碳纳米管的本征性能,进而影响其增强效果,或可能在基体中引入其他杂质,影响复合材料的导电和导热性能。因此,在进行表面处理时应综合考虑其对碳纳米管结构性能及复合材料增强作用的影响。近年来,研究者们通过优化碳纳米管表面处理工艺突破了碳纳米管/铜复合材料在制备过程的难点,在保证铜基体优异的导电、导热性能的同时,大幅提高了碳纳米管/铜复合材料的力学性能。碳纳米管表面处理工艺类型大致可分为机械球磨、化学表面改性、表面镀层和联合表面处理四类。传统的机械球磨表面处理对碳纳米管的结构破坏较大;化学表面改性又分为共价表面改性和非共价表面改性,非共价表面改性在保持碳纳米管完整的管状结构和优异性能的同时,提高了碳纳米管在溶液中的分散性,但用于复合材料制备时会给基体引入有机杂质,影响复合材料性能;共价表面改性和表面镀层是铜基复合材料制备过程中最为常用和有效的表面处理方法,其能够在提高碳纳米管在基体中的分散性能的同时改善碳纳米管表面的反应活性,从而形成碳纳米管和铜基体之间强度较高的反应结合界面,实现碳纳米管/铜复合材料高强高导的综合性能。此外,可通过综合利用各种表面处理方法,结合各表面处理工艺的优势,获得更为优异的改性效果。本文从碳纳米管表面处理工艺的基本类型以及碳纳米管表面处理对铜基复合材料结构和性能的影响两方面阐述了碳纳米管表面处理在铜基复合材料中的应用和研究进展,并对其未来的研究方向进行了展望。     

碳纳米管增强2024铝基复合材料的力学性能及断裂特性

为了研究碳纳米管对铝基复合材料性能的影响,采用冷等静压、热挤压方法制备了质量分数1.0%的多壁碳纳米管增强2024Al基复合材料.采用扫描电镜、透射电镜和拉伸试验对复合材料的显微组织进行了观察和分析,并对其力学性能进行了测试.结果表明,碳纳米管均匀地分布在复合材料中,碳纳米管和铝基体的界面结合良好,没有发现界面产物Al4C3的形成;复合材料的断口上存在大量的撕裂棱,韧窝,并涉及碳纳米管的拔出或拔断与桥接,与2024Al基体材料相比,复合材料的硬度、弹性模量和抗拉强度显著提高,同时复合材料的延伸率却并不下降.碳纳米管的加入可以显著提高铝基复合材料的力学性能.     

碳纳米管/铝复合材料界面调控研究进展

从碳纳米管表面改性、金属基体合金化和复合工艺优化三个方面综述了碳纳米管增强铝基复合材料界面设计与调控的研究新进展,并对未来可能的发展新趋势进行了展望。现有的界面设计研究尚存在一定的局限性,如碳纳米管表面改性引入金属或氧化物连续镀膜将碳纳米管与基体隔离,缺乏对镀膜尺寸和分布的设计调控,未能有效发挥碳纳米管自身的复合强化作用,未来需要针对复合材料的具体应用和性能需求,更有针对性地设计碳纳米管的表面状态或复合界面的结合程度,如:碳纳米管表面缺陷修饰、复合材料构型优化设计等,并对表面修饰产物的尺寸和分布进行精细有效的调控,以获得更为理想的界面状态,充分发挥纳米碳的增强效率。     

碳纳米管增强铝基复合材料分散方法研究进展

碳纳米管与铝基体的结合,可以获得导电和导热性良好及综合力学性能优异的复合材料,有望成为新一代轻质高强、结构功能一体化的复合材料.在制备碳纳米管增强铝基复合材料过程中,碳纳米管的团聚将降低界面结合,诱发缺陷产生,导致性能大幅下降,因此,调控优化碳纳米管的分散状态、含量成为获取良好界面结合,获得高性能碳纳米管增强铝基复合材料的关键.基于此,综述了国内外均匀分散碳纳米管的方法,通过物理作用、化学作用和物理化学共同作用的方式进行分类,并详细介绍了高能球磨、摩擦搅拌、化学气相沉积、湿法球磨等主要的碳纳米管在铝基体中的分散方法.分析了不同分散方法的特点及其分散效果,最后总结了分散过程中存在的分散效果、缺陷的平衡、大长径比、高含量碳纳米管分散及分散评价方法等关键问题,并展望了未来在铝及其合金基体中碳纳米管分散方法的发展方向.     

热轧对搅拌摩擦加工制备CNTs/Al复合材料微结构与性能的影响

在搅拌摩擦加工制备碳纳米管增强铝基复合材料(CNTs/Al)的基础上,研究了热轧对复合材料微结构与性能的影响。结果表明,热轧使基体晶粒沿轧制方向拉长,同时有利于CNTs的取向并在一些CNTs-Al界面形成Al4C3相;基于CNTs取向等微结构的变化以及界面反应引起界面结合力增强的因素,沿轧制方向复合材料的抗拉强度、导电性明显提高,热膨胀率降低。     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状

SiC颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐磨性及较好的高温稳定性而被广泛应用于航空航天、电子、医疗等领域,但由于SiC颗粒高熔点、高硬度的特点以及SiC颗粒与铝基体间存在界面反应,碳化硅铝基复合材料存在加工性差、界面结合力不足等问题,已无法满足航天等领域对材料性能更高的要求,因此开展如何改善基体与颗粒之间界面情况的研究对进一步提升复合材料综合性能具有重要的科学意义。结合国内外现有研究成果,总结了SiC颗粒与铝基体界面强化机制、界面反应特点、表面改性技术原理及数值建模的发展现状,结果表明,现有经单一表面改性方法处理后的增强颗粒对铝基复合材料性能的提升程度有限,因此如何采用新的手段使复合材料性能进一步提升将成为后续研究热点,且基于有限元数值模拟方法进行复合材料设计也是必然趋势。最后针对单一强化性能提升有限的问题,提出了基于表面改性的柔性颗粒多模式强化方法,同时针对现有的技术难点展望了后续的研究方向,以期为颗粒增强复合材料的制备提供理论参考。     

碳纳米管表面化学镀Co的研究

碳纳米管因其优异的力学、物理性能,是一种理想的复合材料增强体,但其与基体金属的润湿性较差.通过对镀钴前碳纳米管的微波、氧化、敏化和活化处理,改善了碳纳米管的表面性能并在碳纳米管表面增加了活化点,成功地在碳纳米管表面镀上一层较为连续的金属钴,以改善碳纳米管与金属基体的润湿性,增强与金属基体的界面结合力.并用XRD、TEM对镀钴后的碳纳米管进行了表征.     

搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强铝基复合材料

为了制备晶粒细小、 组织均匀的复合材料, 提高材料的力学性能, 用搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强铝基复合材料, 并对不同碳纳米管含量的复合材料的微观结构、 拉伸性能及断口形貌进行分析。结果表明: 碳纳米管添加到铝基体中, 搅拌摩擦中心区晶粒细小, 碳纳米管与基体之间结合良好, 未发现明显的缺陷; 碳纳米管对基材有明显的强化作用, 铝基复合材料抗拉强度随着碳纳米管含量的增加而提高; 碳纳米管体积分数为7%时, 抗拉强度达到201 MPa, 是基材的2.2倍; 复合材料在宏观上呈现脆性断裂特征, 微观上呈现韧性断裂特征, 其断裂机制以CNTs/Al界面脱粘、 基体撕裂和增强体断裂为主。      

碳纳米管对碳纤维复合材料界面性能的影响

碳纤维(CF)复合材料由于其优异的机械性能被广泛应用于各个领域,但碳纤维与基体之间差的粘结性导致其性能受到限制。为了充分发挥碳纤维复合材料的作用,需对碳纤维进行表面处理,以便形成有效的界面粘结性,来提高复合材料的性能。本文主要围绕碳纳米管对碳纤维复合材料的界面粘结性的改善,进而概述了碳纳米管(CNTs)的加入对碳纤维增强复合材料界面性能的影响。     

碳纳米管增强铝基复合材料的界面研究进展

碳纳米管以其稳定的结构、优异的力学性能,成为复合材料的理想增强相。其增强效果受多方面因素影响,界面是决定其增强效果的关键因素之一,也是金属基复合材料的研究重点。简要介绍了碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料的界面结合机制及界面对复合材料性能的影响,评述了热膨胀系数、制备方法、碳纳米管纯度等多种因素对CNTs/Al复合材料界面的影响,并提出了改善界面的方法。     

Study and prediction of the mechanical performance of a nanotube-reinforced composite

Carbon nanotubes (CNTs) have been regarded as ideal reinforcements for high-performance composites. A key factor for the reinforcement efficiency is the interface bonding between the CNTs and the matrix. This paper presents a new constitutive model to predict the mechanical performance of composites made with CNTs. The model takes into account explicitly the performance of the interface between the matrix and the CNTs. The formulation developed is based in the mixing theory. It divides the composite in matrix and in a new material result of coupling the CNTs with the interface. The relation defined between interface and CNTs assumes that the load is transferred to the nanotubes along their ends and that in the central part the CNTs can develop their full strength. The composite non-linear behavior results from the non-linearities of its constituents. In case of interface damage, it also becomes non-linear the law defined to couple the interface with the CNTs. After describing the formulation, it is validated studying the elastic response of several composites made with different types of CNTs reinforcements. The non-linear behavior provided by the formulation is also studied. In both cases the numerical results are compared with experimental data showing good agreement.     

碳纳米管增强铝基复合材料的界面特性及增强机理研究进展

采用简单的电热板在空气气氛中、430℃加热氧化Fe片以及沉积在硅基片上的Fe膜,在Fe基体表面分别制备出了一维α-Fe2O3纳米线和纳米带,并研究了不同Fe基体热氧化制备的纳米结构的场发射特性。结果表明：Fe片和Fe膜热氧化获得的α-Fe2O3纳米结构的开启电场分别为14．5V／μm和13．3V／μm;α-Fe2O3纳...     

碳纳米管增强镁基复合材料导热性能研究

镁及其合金是目前最轻的金属结构材料,合金化虽然提升了镁合金的力学性能,但导致其导热性能严重下降,限制了镁合金的应用。碳纳米管(CNTs)因具有优异的力学、热学等性能,是最理想的增强体之一,可以用于改善镁合金的力学性能和热学性能。采用粉末冶金法分别以纯Mg、Mg-9Al合金、Mg-6Zn合金为基体制备了不同CNTs含量的镁基复合材料,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对复合材料微观组织、基体与增强体界面及析出相进行表征,并对复合材料的拉伸性能和热学性能进行测试。研究结果表明,当CNTs质量分数不超过1.0%时,可提高纯镁基复合材料的导热性能,力学性能仅有稍微降低;将CNTs添加到Mg-9Al合金中,可以促进纳米尺度β-Mg 17 Al 12相在CNTs周围析出,降低了Al在Mg基体中的固溶度,使CNTs/Mg-9Al复合材料的导热性能有所提高。此外,在CNTs/Mg-6Zn复合材料界面处存在C原子和Mg原子的相互嵌入区,这种嵌入型界面不仅有利于复合材料力学性能的提高,也使CNTs起到加速电子移动的“桥”的作用,有利于该复合材料热导率的提高。当CNTs质量分数为0.6%时,CNTs/Mg-6Zn复合材料具有较为优异的热学性能和力学性能,其热导率为127.0 W/(m·K),抗拉强度为303.0 MPa,屈服强度为204.0 MPa,伸长率为5.0%。     

碳纳米管增强开孔铝基复合泡沫的疲劳性能

采用原位化学气相沉积、短时球磨和填加造孔剂法相结合的工艺制备了碳纳米管(CNTs)/Al复合泡沫,研究了其在压缩-压缩循环载荷下的力学性能及失效机制。结果表明,CNTs/Al复合泡沫的应变-循环次数曲线经历线弹性、应变硬化及应变快速增长三个阶段。不同于泡沫铝的逐层坍塌变形失效模式,CNTs/Al复合泡沫疲劳失效的主要原因是大量剪切变形带的形成,试样出现快速的塑性变形。此外,CNTs含量为2.5wt%、孔隙率为60%的复合泡沫试样的疲劳强度相比于泡沫铝提高了92%。CNTs的均匀分布及增强相与基体材料之间良好的界面结合性保证了疲劳载荷能够以剪切力的形式从基体传递到CNTs上,使其充分发挥自身高强度、高韧性的特点,进而提高了疲劳性能。      

高能球磨法制备高性能均一分散CNTs/Al5083复合材料

采用卧式高能球磨法制备0%~2%CNTs/Al5083(质量分数)复合材料,研究球磨时间和CNTs含量对复合材料性能的影响。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对复合材料的形貌进行表征,测试复合材料的抗拉强度及硬度。结果表明:当球磨时间为1.5h时,CNTs可均匀分散在Al5083基体中;CNTs质量分数为1.5%时,CNTs/Al5083界面结合力最好,复合材料的抗拉强度和硬度分别为188.8MPa和136HV,比未加CNTs的Al5083合金基体分别提高了32.2%和36%。     

陶瓷/碳纳米管复合材料的制备、性能及韧化机理

评述和讨论了碳纳米管增强陶瓷基复合材料的制备工艺,包括碳纳米管在陶瓷基体上的分散和材料的烧结成型,添加碳纳米管后材料力学性能、导电和导热等物理性能的改善以及韧化机理,指出碳纳米管在陶瓷材料基体上的均匀分散,碳纳米管在组织中存活,碳纳米管与陶瓷基体的界面结合状态是影响碳纳米管增强陶瓷基复合材料性能提高的关键.     

高压扭转对SiC_P/Al复合材料微观组织和力学性能的影响

为研究大塑性变形对金属基复合材料微观组织和力学性能的影响,利用高压扭转工艺(HPT)在200℃下将纯Al粉末和经氧化处理的SiC粉末混合固结成10wt%SiC_P/Al复合材料。采用TEM观察HPT变形后不同圈数试样的SiC-Al界面及Al基体微观组织,采用EDS能谱仪分析界面处原子扩散现象,采用万能拉伸试验机测试研究不同扭转圈数试样的力学性能。结果表明:不同圈数试样Al基体内出现大量位错、非平衡晶界等晶格缺陷;组织内存在两种SiC-Al界面,含SiO_2层的原始界面和因颗粒破碎而新生成的界面。两种界面结合良好,界面处元素相互扩散;随着扭转圈数的增加,10wt%SiC_P/Al复合材料抗拉强度增加,延伸率得到较大提高。分析发现高压扭转后不同圈数组织内产生的大量晶格缺陷和细小晶粒,促进界面处元素的相互扩散,使界面结合良好,同时大量晶格缺陷和细小晶粒的产生以及结合良好的SiC-Al界面是SiC_P/Al复合材料力学性能大幅提升的主要原因。