碳纳米管增强铝基复合材料超声波焊接制备工艺及其性能研究

论文摘要

本文采用超声波焊接方法成功制备出了焊缝界面结合良好的碳纳米管增强铝基复合材料,对制备过程中所涉及的碳纳米管的提纯与分散、6061铝合金超声波焊接性能、碳纳米管与铝基体界面反应情况、工艺参数对复合材料的力学性能及微观组织结构的影响进行了深入地研究与分析,并借助光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、高分辨电镜、X射线衍射和能谱分析以及力学性能测试仪器等分析测试手段对复合材料的制备工艺进行了评定、对其室温力学性能进行了测试、对其显微组织结构进行了观察、并探讨了碳纳米管对复合材料的增强机理。在焊接时间120ms,焊接压力17.5MPa,碳纳米管以喷雾形式铺入铝基体上所制备的复合材料成形最好,其焊缝平整光滑,碳纳米管以条丝状形式分布于复合材料铝基体中且分散较均匀,几乎没有团聚现象发生,其中焊缝处及其周围的碳纳米管较多,远离焊缝位置处碳纳米管含量相对较少,且其最大剥离力达到195.346N,相比焊接后的铝合金提高了44%；拉伸剪切力大于867.652N,相比焊接后的铝合金提高了94%；硬度为73.2HV,相比基体材料提高了78%。在焊接压力不变,随着焊接时间的增大,各工艺条件下所制备的复合材料的力学性能都依次增大,当焊接时间达到120ms时,剥离强度、拉伸剪切强度达到最大,焊接时间继续增大时,其反而会降低,但硬度会继续增大。并且焊接时间超过140ms时,铁砧上会粘上铝金属；当焊接时间不变时,随着焊接压力的增大,力学性能的变化也是如此,当焊接压力为17.5MPa时,力学性能达到最优,当焊接压力超过21MPa时,焊头会压溃复合材料。通过对复合材料的硬度分析,发现从复合材料表面到焊缝界面的硬度依次提高,其中靠近焊极的铝薄片相对底座的铝薄片硬度要稍高点。碳纳米管在复合材料铝基体中很稳定,与铝基体界面结合很好,没有生成A14C3等杂质相,界面平整光滑,但部分碳纳米管周围存在位错缠结现象,复合材料的增强机理主要是位错强化和第二相强化,此外,细晶强化对复合材料强度的提高也起到了一定的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 超声波金属焊接技术概述
• 1.2.1 超声波金属焊接
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 国外研究现状
• 1.3 碳纳米管及其增强复合材料的研究现状
• 1.3.1 碳纳米管分类及其制备方法
• 1.3.2 碳纳米管增强铝基复合材料国内外研究现状
• 1.3.3 碳纳米管增强铝基复合材料存在的问题
• 1.4 课题研究意义和主要研究内容
• 1.4.1 课题研究意义
• 1.4.2 课题主要研究内容
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 增强相
• 2.1.2 基体材料
• 2.1.3 实验设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 碳纳米管增强铝基复合材料的制备工艺流程
• 2.2.2 硬度测试
• 2.2.3 剥离试验
• 2.2.4 拉伸剪切试验
• 2.2.5 XRD（X-Ray Diffraction）分析
• 2.2.6 金相分析
• 2.2.7 扫描电子显微镜和能谱分析
• 2.2.8 透射电子显微镜分析
• 第3章 碳纳米管提纯与分散
• 3.1 碳纳米管的原始形貌
• 3.2 碳纳米管的提纯
• 3.3 碳纳米管的分散
• 3.4 本章小结
• 第4章 6061铝合金超声波焊接力学性能分析
• 4.1 最大剥离强度
• 4.1.1 表面处理方式对6061铝合金剥离强度的影响
• 4.1.2 焊接时间对6061铝合金剥离强度的影响
• 4.1.3 焊接压力对6061铝合金剥离强度的影响
• 4.2 拉伸剪切强度
• 4.2.1 表面处理方式对6061铝合金拉伸剪切强度的影响
• 4.2.2 焊接时间和焊接压力对6061铝合金拉伸剪切强度的影响
• 4.3 硬度
• 4.3.1 表面处理方式对6061铝合金硬度的影响
• 4.3.2 焊接时间和焊接压力对6061铝合金硬度的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能分析
• 5.1 碳纳米管增强铝基复合材料的超声波焊接制备方法
• 5.2 碳纳米管以平铺方式加入
• 5.2.1 焊接工艺参数对复合材料剥离强度的影响
• 5.2.2 焊接工艺参数对复合材料拉伸剪切强度的影响
• 5.2.3 焊接工艺参数对复合材料硬度的影响
• 5.3 碳纳米管以喷雾的形式加入
• 5.4 本章小结
• 第6章 碳纳米管增强铝基复合材料的组织结构及强化机制
• 6.1 碳纳米管/铝基复合材料的显微组织分析
• 6.1.1 金相组织分析
• 6.1.2 扫描电镜分析
• 6.1.3 透射电镜分析
• 6.2 碳纳米管/铝复合材料的界面结构分析
• 6.2.1 XRD分析
• 6.2.2 HRTEM分析
• 6.3 碳纳米管/铝基复合材料的增强机理讨论
• 6.3.1 细晶增强机制
• 6.3.2 位错强化机制
• 6.3.3 第二相强化机制
• 6.4 本章小结
• 第7章 主要结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 工作展望
• 7.3 主要创新点
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果