碳纳米管增强镁基复合材料关键问题研究进展

针对目前碳纳米管增强镁基复合材料的设计过程中所遇到的碳纳米管在镁基体中不易分散均匀及与镁基体不易形成有效界面结合的问题,从碳纳米管的分散、制备方法与工艺的选择、碳纳米管与镁基体之间的界面作用等方面进行了分析和讨论,以寻找解决相关问题的有效手段,并对该领域今后的发展趋势进行了展望。     

碳纳米管在增强镁基复合材料方面的作用

综述了碳纳米管对镁基复合材料显微组织及力学性能的影响.     

镁基复合材料界面显微结构与优化

论述了采用不同增强物增强的镁基复合材料的界面微观结构，并对界面优化的方法进行了探讨。     

不同涂层碳纳米管对增强镁基复合材料力学性能的影响

采用化学镀的方法在用化学气相沉积法(CVD)制备的一维多壁碳纳米管(MWNTs)上化学镀镍、镍-锌处理,然后在氩气的保护下,采用搅拌铸造的方法与镁复合,制得碳纳米管增强镁基复合材料.在MTS电液伺服机上对其抗拉强度和伸长率进行了测试,同时,采用TEM和SEM方法对复合材料的微观组织和机构进行分析.试验结果表明:随着碳纳米管含量的增加,复合材料的抗拉强度和伸长率逐渐提高,当镀镍碳纳米管的体积百分数达到1.0%时,抗拉强度和伸长率分别提高了105%和96%;相应的镀镍锌的碳纳米管复合材料则分别提高了124%和107%,但当碳纳米管的含量达到1.5%时,抗拉强度和伸长率都明显的降低.     

石墨纤维增强镁基复合材料界面

石墨纤维增强镁基复合材料由于基体中加入了铝元素，其界面情况变得较为复杂。对采用真空压力浸渍法制备的俄罗斯产石墨纤维增强ＺＭ５镁基复合材料在透射电子显微镜下观察发现，界面结合良好，基体与纤维间无化学反应，但存在着大小形状不同的析出物，经电子衍射和ＥＤＳ能谱分析为γＭｇ１７Ａｌ１２相；在近界面区域也有γ相存在，并且与镁基体存在一定的位向关系；同时在界面附近存在着大量位错和孪晶等晶体缺陷。     

碳（石墨）纤维增强镁基复合材料的界面研究

采用透射电子显微技术及高分辨技术，对Ｃ／Ｍｇ复合材料界面的显微结构进行了研究，发现在纤维与基体的界面上存在着Ａｌ元素的偏聚；碳纤维的石墨化程度不同，界面形态不同，石墨化程度较低时，界面处有一层约１μｍ厚的细晶粒层存在，石墨化程度较高时，界面处平直光滑；界面处有析出物γ－Ｍｇ１７Ａｌ１２存在；近界面区存在着大量晶体缺陷，主要为位错和孪晶，并有残余应变层存在；当碳纤维表面有ＳｉＣ涂层时，在涂层与基体间     

新型碳纳米管增强镁基复合材料制备方法的研究进展

介绍了国内外目前关于碳纳米管增强镁基复合材料的新型制备方法及复合材料的静态力学性能、储氢性能、腐蚀性能等。这些新型高效的碳纳米管增强镁基复合材料制备方法的提出,为进一步提升复合材料性能提供了新的思路与途径。碳纳米管增强镁基复合材料的制备技术,以及性能探索将会成为研究的热点与重点,而碳纳米管增强镁基复合材料应用范围也会得到进一步的扩展。     

镁基复合材料界面研究

综述了近年来不同增强相增强的镁基复合材料的界面微观结构及界面对该复合材料性能的影响,并对该复合材料的界面研究方法进行介绍.     

颗粒增强镁基复合材料的增强复合新思路

从颗粒增强镁基复合材料的性能和应用、复合反应的强化机理及界面状况、研究进展、影响颗粒增强镁基复合材料性能的因素、选择增强体和镁合金基体时应考虑的问题几个方面对颗粒增强镁基复合材料的发展情况进行介绍,并展望了今后的发展前景。     

碳纳米管-镁基非晶复合材料的制备及力学性能

采用铜模差压压铸的方法成功制备了碳纳米管颗粒增强镁基非晶复合材料,并对其微观结构、压缩性能、断裂强度及断口形貌进行了研究。结果表明,碳纳米管颗粒与非晶基体结合良好,其引入没有明显改变基体非晶合金的玻璃形成能力和热稳定性能;与非晶合金相比,复合材料的最大压缩强度及断裂位移有明显提高。碳纳米管在基体中复合的比较均匀,没有出现大面积团聚,并形成很多韧窝结构。     

碳纳米管增强铜基复合材料的制备、力学性能及电导率

以CNTs、电解Cu粉、Cu(CH_3COO)_2·H_2O为原料,采用混酸处理、分子水平法结合行星球磨两步混合工艺制备含0.5%～2%(质量分数)CNTs的Cu基复合粉末,然后通过放电等离子烧结技术制备了Cu-CNTs复合材料,探讨了制备工艺及CNTs含量对Cu-CNTs复合材料的组织、电导率和力学性能的影响规律。结果表明:当CNTs含量小于1.0%时,采用两步混粉工艺制备的Cu-CNTs复合粉体均匀性、分散性良好,经烧结后可获得致密度高、CNTs分布均匀的Cu-CNTs复合材料;当CNTs含量大于1.0%时,复合材料的致密度及CNTs分布均匀性明显降低;随CNTs含量的提高,复合材料的强度先升高后降低,塑性和电导率趋于降低;相对高能球磨、分子水平法等单一混粉工艺而言,两步法制备的Cu-1.0%CNTs复合材料综合性能更优,其电导率为51.7 MS/m(89.1%IACS),维氏硬度为1130 MPa,抗拉强度为279 MPa,断后伸长率为9.8%。     

碳颗粒尺寸对自发渗透原位制备TiCp/Mg微观组织的影响

利用原位反应自发渗透技术制备了组织均匀且致密度高的TiCp/Mg复合材料, 研究了原位反应温度以及碳颗粒尺寸对制备的TiCp/Mg复合材料微观组织的影响.结果表明: 当使用大尺寸碳粒子(≤100μm)时, 随着反应温度的提高, 原位生成物TiCp的含量增加, 但有残留反应物Ti和C的存在; 碳粒子尺寸减小(≤30μm)时, 原位反应较完全, 不再有残留物存在; 原位反应产物组织中, 增强相TiCp主要呈互穿网络状、颗粒状以及片状等形态; 增强相的尺寸随碳粒子尺寸的减小而减小, 在碳颗粒尺寸为1.5μm时TiC更易呈现等轴颗粒状, 尺寸约为0.5～2.0μm.     

Aging behavior of nano-SiCp reinforced AZ61 magnesium matrix composites

The mechanical properties of magnesium matrix composties can be further improved by aging treatment.To study the aging behavior of SiC particles reinforced AZ61 magnesium matrix composites fabricated by ultrasonic method,an investigation has been undertaken by means of Vickers hardness measurement,scanning electron microscopy (SEM) and energy spectrum analyzing apparatus.The box-type heat treatment furnace was used in the study.The results showed that no discontinuous cellular precipitation is observed at the grain boundaries in the magnesium matrix of the composite while the Mg17Al12 preferentially precipitates in the matrix.The time to reach the peak hardness for AZ61 alloy or SiCp/AZ61 magnesium matrix composites is reduced with the increase of aging temperature.At the same temperature,the composite exhibit an accelerated aging manner but lower aging efficiency,compared with the unreinforced matrix alloy.The microhardness of the composite is higher than that of the unreinforced matrix alloy,because that the SiC particles distributes homogeneously in the matrix alloy under the ultrasonic processing condition.     

挤压铸造准晶增强AZ91D镁基复合材料组织与性能

为了改善AZ91D镁合金的性能,采用挤压铸造法制备了Mg-Zn-Y准晶中间合金增强AZ91D镁基复合材料,研究了准晶中间合金含量对复合材料组织和性能的影响。结果表明挤压铸造工艺可以有效细化晶粒,复合材料的显微组织主要由α-Mg基体、晶界上分布的β-Mg17Al12相以及Mg3Zn6Y准晶颗粒组成,准晶颗粒和α-Mg基体之间形成稳定结合。当准晶中间合金含量为5%时,抗拉强度和断后伸长率达到最大值,分别为194.3MPa和9.2%。复合材料的强化机制为细晶强化和准晶颗粒强化。     

纳米SiC_P/AZ61镁基复合材料的时效行为研究

采用箱式热处理炉、显微硬度计、SEM电镜、能谱分析仪,对纳米SiCP/AZ61镁基复合材料的时效行为进行分析,结果表明,复合材料在时效初期,未观察到不连续析出相在晶界析出,却观察到Mg17Al12比较分散的从基体中析出;随着时效温度的提高,SiCP/AZ61复合材料或AZ61合金到达时效峰值所需的时间减少;在同一温度下,SiCP/AZ61复合材料要比基体合金的时效速度快,但时效的效果比基体合金差;且在同一温度下,SiCP/AZ61复合材料的硬度值要比基体合金的硬度值高,主要是因为采用了高能超声法,使纳米SiC颗粒均匀地分布在基体中。     

多壁纳米碳管／Cu基复合材料的摩擦磨损特性

利用销－盘式磨损试验机研究了粉末冶金法制备的多壁纳米碳管／Cu基复合材料的稳态摩擦磨损行为,并用扫描电镜分析了复合材料的磨损形貌。结果表明：多壁纳米碳管／Cu基复合材料具有较小的摩擦系数,并随纳米碳管质量分数的增加而逐渐降低;由于复合材料中纳米碳管的增强和减摩作用,在低载荷和中等载荷作用下,随着纳米碳管质量分数的增加,复合材料的磨损率减小;而在高载荷作用下,由于发生表面开裂和片状层剥落,含纳米碳管质量分数高的复合材料的磨损率增高。     

Preparation of multi-walled carbon nanotube-reinforced TiNi matrix composites from elemental powders by spark plasma sintering

Carbon nanotube (CNT)-reinforced TiNi matrix composites were synthesized by spark plasma sintering (SPS) employing elemental powders.The phase structure,morphology and transformation behaviors were studied.It was found that thermoelastic martensitic transformation behaviors could be observed from the samples sintered above 800 ℃ even with a short sintering time (5 min),and the transformation temperatures gradually increased with increasing sintering temperature because of more Ti-rich TiNi phase formation.Although decreasing the sintering temperature and time to 700 ℃ and 5 min could not protect defective MWCNTs from reacting with Ti,still-perfect MWCNTs remained in the specimens sintered at 900 ℃.This method is expected to supply a basis for preparing CNT-reinforced TiNi composites.     

原位合成TiC_p/AZ91D镁基复合材料的高温流变行为

采用原位合成法制备了TiCp/AZ91D镁基复合材料,研究了其高温流变行为。结果表明,铸态TiCp/AZ91D镁基复合材料在高温压缩变形过程中存在稳态流变特征,流变应力随着温度的升高和应变速率的降低而降低。在较低温度范围内,TiC颗粒强化效果明显。随着温度的升高,增强相对基体AZ91D镁合金的增强效果逐渐消失。     

C纤维增强镁基复合材料热成形微观组织模型

以C纤维增强镁基复合材料在高温变形过程中的物理机制为基础,建立了C纤维增强镁基复合材料高温变形时以Yada模型为基础的微观组织模型。将该微观组织模型应用于镁基复合材料的高温变形,编写C++程序求解,根据实验数据对模型进行回归,确定高温状态及半固态下微观组织模型中的特征参数值。C纤维增强镁基复合材料的热模拟实验结果和定量金相实验结果证实,初生α相晶粒尺寸的样本数据的平均相对误差为6.89%,非样本数据的平均相对误差为7.08%。模型预测精度较高,能较好地描述镁基复合材料高温塑性变形时的微观组织演变行为。     

铝基体上碳纳米管原位均匀合成及其复合材料的性能

采用负载于铝粉上的镍催化剂,成功地在650℃通过化学气相沉积法在钳基体中原位合成碳纳米管。结构农征表明,所合成的碳纳米管具有较高的石墨化程度和平直的石墨壳层。通过该方法实现铝粉中碳纳米管的弥散分布,其分散效果优于传统机械混合方法。利用所合成的碳纳米管／铝原位复合粉末,采用粉末冶金工艺制备碳纳米管／铝基复合材料。性能测试表明,制备的复合材料的力学性能和尺寸稳定性得到显著提高,其原因在于铝基体中碳纳米管的均匀分散和碳纳米管－铝基体之间良好的界面结合。