碳纳米管增强纯铝复合材料力学性能研究

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1、学校代码10459学号或申请号201512131631密级硕士学位论文碳纳米管增强纯铝复合材料力学性能研究作者姓名：谢昆导师姓名：蔡彬教授学科门类：工学专业名称：材料物理与化学培养院系：物理工程学院完成时间：2018年5月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterMechanicalpropertiesofcarbonnanotubesreinforcedpurealuminummatixcompositesByKunXieSupervisor:Prof.B

2、inCaiMaterialsPhysicsandChemistrySchoolofPhysicsandEngineeringMay,2018学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：谢昆日期：年月日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根

3、据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：谢昆日期：年月日摘要铝基复合材料因其质量轻，比强度和模量高，价格相对较低等优点，被广泛应用于航空航天，汽车、船舶和其他工业领域。碳纳米管（CN

4、Ts）具有优良的机械性能，且导电性和热学性能良好，是一种理想的复合材料增强相。因此，碳纳米管增强铝基复合材料有着诱人的研究和应用前景。但实际研究发现：CNTs易团聚，分散性差，且与铝润湿性差，难形成较好的界面结合。此外，以CVD为主生产的CNTs通常含有无定形碳和催化杂质，易造成材料性能下降。因此，使CNTs均匀分布在铝基体中并获得较好的界面，从而提高材料的力学性能是困扰研究者的难题所在。针对以上问题，本文采用酸洗+羧基化对CNTs进行预处理，提高其分散性；通过密度和硬度测试，确定了CNTs/Al复合材料的烧结条件，并利用自行设

5、计的挤压模具对所制备了两种长径比CNTs/Al复合材料进行了热挤。通过硬度、拉伸和热机械振动谱（DMA）测试手段，对不同CNTs含量（0-2.0wt.%，重量百分比，下同）复合材料的力学性能进行了测试，获得了长径比（大长径比LR=4200，小长径比SR=110）和CNTs含量对合金力学性能的影响。结合相应的微结构观察，对其强化机理进行了分析。CNTs与Al粉复合微结构观察表明：当CNTs含量在1.0wt.%及以下时，CNTs可较均匀地吸附在Al粉表面，而当含量增加至2.0wt.%时，CNTs团聚现象严重。烧结温度优化结果表明：在

6、60MPa原位应力作用下，580oC烧结可获得较好的烧结效果。烧结态复合材料经20倍挤压比在425oC热挤后，所有LR-CNTs/Al复合材料的致密度在99.79~99.86%，表现出很好的一致性；而SR-CNTs/Al复合材料的致密度则在99.41~99.79%，致密度和一致性均稍有降低。580oC烧结+425oC热挤态CNTs/Al复合材料的室温拉伸性能表明：LR-CNTs含量在0-1.0wt.%时，复合材料的力学性能均随CNTs含量的增加而快速增加；进一步增加CNTs含量至2.0wt.%时，强度几乎保持不变。1.0wt.%

7、含量复合材料的抗拉强度可达158MPa，比同样条件制备的不含LR-CNTs的纯铝抗拉强度（113MPa）高40%。相对于CNTs含量对强度的显著影响，长径比对复合材料强度的影响小得多。在相同CNTs含量下，长径比对复合材料抗拉强度无明显影响，但对屈服强度有一定影响。SR-CNTs/Al复合材料的屈服强度略高。仔细分析发现，对CNTs近似均匀分布的CNTs/Al复合材料而言，其硬度、屈服强度和抗拉强度增量均与CNTs含量的平方根成正比，这表明其主要强化机制为弥散强化，而非很多工作表明的载荷转移等强化机制。I热机械振动谱测试结果表明

8、：所有CNTs/Al复合材料DMA谱并不会出现传统多晶纯Al的晶界内耗峰，表明CNTs添加在一定程度上会改变纯Al的晶界结构。整体而言，只有模量模

9、E

10、表现出明显的规律性。随着CNTs含量增加，

11、E

12、先增大至最大后近似保持不变，且最大

13、E

14、处的CNTs含量随着样