新型纳米多孔铜复合材料的制备及力学性能、电化学性能的研究

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1、分类号：TG146密级：UDC：620编号：201421803003河北工业大学硕士学位论文新型纳米多孔铜复合材料的制备及力学性能、电化学性能的研究论文作者：王超洋学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：材料加工工程指导教师：秦春玲职称：教授资助基金项目：本研究获得河北省自然科学基金(E2016202212)、河北省引进海外高层次人才“百人计划”(E2012100009)和国家自然科学基金面上项目(51671077)的资助DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegree

2、ofMaterialsProcessingEngineeringSYNTHESIS,MECHANICALANDELECTROCHEMICALPROPERTIESOFNOVELNANOPOROUSCOPPERCOMPOSITESbyWangChaoyangSupervisor:Prof.QinChunlingMay2017Thisworkwasfinanciallysupportedbythe“100TalentsProject”ofHebeiProvince,China(E2012100009),theNaturalScienceFoundationofH

3、ebeiProvince,China(E2016202212)andtheNationalNaturalScienceFoundationItem,China(51671077).摘要本文以提高Cu基块体非晶合金的综合性能为目的，首次利用简易的快速凝固技术与自由脱合金工艺相结合的方法，成功制备了一种新型的具有梯度型孔洞/韧带结构的纳米多孔铜/块体非晶合金复合材料(NPC/BMGs:Nanoporouscopper/bulkmetallicglasses)，并展现了优异的综合力学性能和电化学特性。研究发现：具有一定厚度的纳米多孔层可作为缓冲区，一方面吸收了内

4、部Cu-Zr-Al非晶基体剪切带内多余的自由能；另一方面也对非晶基体产生了良好的塑形包裹作用，并延缓剪切裂纹的传播与形成，最终导致了NPC/BMG复合材料压缩应变的大幅度提高。本课题的主要研究内容为：首先，将直径为Φ2mm的Cu50Zr45Al5非晶试棒置于0.05mol/L的HF腐蚀液中脱合金处理1天、3天和5天，并分别表示为试样NPC/BMGrod-1、2和3。以X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、万能材料试验机以及电化学工作站为主要测试分析手段。首次研究了在HF溶液中不同脱合金时间对NPC/BMG复合材料的微观结构、机械性能及吸能特性的影

5、响，并详细分析了该新材料的断面形貌与其特殊的断裂机理。随后，对新材料的葡萄糖催化传感进行电化学测试，系统性的分析了其在葡萄糖溶液中的循环伏安(CV)、电流vs.时间响应(I-t)以及阻抗(EIS)特性。主要研究结果及分析：(1)NPC/BMG复合材料显示了内部非晶芯与外层NPC的完美组合，随脱合金时间的延长，NPC厚度增加，韧带尺寸增大；(2)随脱合金深度的增加，NPC韧带/孔洞大小呈梯度变化。一方面Cu、Zr、Al三种元素在HF中的原子扩散度及化学活性不同，导致不同层之间存在着一定的成分梯度与起伏；另一方面，材料内外层也存在着较大的脱合金时间间隔，当外层

6、NPC结构已经熟化时，内层NPC才刚刚形成；(3)NPC/BMG显示了优异的综合力学性能，断裂强度达0.9GPa~1.5GPa，压缩应变为2.9%~4.7%，远大于Cu50Zr45Al5非晶棒的2.0%；(4)与Cu基非晶完全的脉络花纹不同，NPC/BMG断面包括了三个明显不同的变形区：最外层的NPC，中间的过渡区以及内部的非晶区；(5)NPC/BMG在过渡区以及临近的非晶变形区中大量的韧窝状花样证实，在压缩变形的过程中，其外部的NPC层对内部非晶基体产生了强烈的缓冲作用，并形成具有一定宽度的缓冲变形区，最终导致了NPC/BMG复合材料压缩应变的提高；(6

7、)与纯Cu相比，NPC/BMG对葡萄糖溶液表现出良好的电化学特性，随葡萄糖浓度的增加，电流响应值I呈线性增长；(7)与纳米线、纳米颗粒等材料相比，NPC/BMG对葡萄糖溶液显示出更佳的灵敏度与较低的阻抗数值R。关键字：铜基非晶合金自由脱合金纳米多孔铜力学性能电化学性能IABSTRACTThisworkstudiesthemicrostructure,mechanicalpropertiesandfracturedeformationmechanismoftheNPC/BMGcompositerods(NPC/BMG:nanoporouscopper/bul

8、kmetallicglass)fabricatedbyfacile