搅拌摩擦加工制备CNTs/Al复合材料显微结构及性能研究

论文摘要

本文以多壁碳纳米管（CNTs）为增强体，采用搅拌摩擦工艺（FSP）制备出了体积分数为1.66%的碳纳米管增强铝基复合材料（CNTs/Al），系统研究了碳纳米管含量对复合材料的宏观形貌及组织影响，测试了复合材料的力学性能，分析了不同碳纳米管含量对复合材料的硬度、拉伸强度、延伸率以及磨损量的影响。运用扫描电镜和透射电镜对复合材料的显微结构进行了观察，并在此基础上探讨了复合材料的强化机制和磨损机制，为FSP推广运用提供一定的理论依据。研究结果表明：FSP技术可制备出成型良好的不同碳纳米管含量增强铝基复合材料。复合材料中心搅拌摩擦区显微组织由拉长的原始组织转变为细小的等轴晶，在组织中观察到黑色质点，为腐蚀凹坑，其内分布聚集颗粒状物质，为CNTs在此处偏聚。随着CNTs体积分数的增加，黑色质点逐渐增多。复合材料的力学性能研究表明：随着CNTs体积分数增加，硬度和拉伸强度呈上升趋势，而延伸率呈降低趋势。CNTs体积分数为1.6%时，宏观断口分布大量纤维区域，为典型微孔聚集性断裂特征；CNTs体积分数为6%时，宏观断口无纤维区域，微观分布着细小的韧窝，为宏观脆性断裂，微观塑性断裂，断裂机制以CNTs与基体脱粘和拔出为主，CNTs起到桥连材料作用。当CNTs加入到铝基体中，复合材料表面形成了一层自润滑膜，阻止了基材与摩擦副的直接接触，有效降低磨损量。随CNTs体积分数的增加，复合材料的磨损量降低并趋于稳定。随摩擦压力的增加，复合材料的磨损量呈上升趋势。当摩擦压力小于40N时，CNTs6/Al与CNTs4.4/Al磨损量增加缓慢；摩擦压力大于40N时，CNTs4.4/Al比CNTs6Al磨损量增加趋势更快。纯铝磨损机制以磨粒磨损为主，而复合材料磨损机制主要为磨粒磨损和自润滑膜脱落。TEM观察表明：复合材料显微结构为细小的动态再结晶晶粒，晶粒大小不均匀，大小在100nm-200nm左右。晶粒细化通过亚晶合并方式形核，经动态再结晶后使晶粒逐步细化。CNTs在复合材料中分布较均匀，以嵌入形式保持在铝基体中，局部区域有CNTs团聚和折断。CNTs与铝基体界面结合良好，界面处分布了大量的位错和位错缠结。CNTs主要分布在晶内，在晶界处未观察到CNTs的存在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 碳纳米管概述
• 1.2.1 碳纳米管的结构
• 1.2.2 碳纳米管的性能
• 1.2.3 碳纳米管的制备技术
• 1.3 碳纳米管增强金属基复合材料研究现状
• 1.3.1 碳纳米管金属基复合材料研究背景
• 1.3.2 碳纳米管增强金属基复合材料制备方法
• 1.3.3 碳纳米管金属基复合材料研究存在问题
• 1.4 搅拌摩擦加工研究现状
• 1.4.1 搅拌摩擦加工在组织改性领域的应用
• 1.4.2 搅拌摩擦加工在制备金属基复合材料领域的应用
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 试验条件及方法
• 2.1 试验条件
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验设备
• 2.1.3 试验工艺参数
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 试样制备
• 2.2.2 复合材料性能测试
• 2.2.3 复合材料显微结构观察
• 2.2.4 复合材料CNTs体积分数计算
• 第3章 复合材料宏观成型性及组织分析
• 3.1 复合材料搅拌摩擦区划分
• 3.2 复合材料的宏观形貌
• 3.3 复合材料的金相组织
• 3.4 复合材料搅拌摩擦中心区金相组织
• 3.5 复合材料的均匀性分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 复合材料力学性能研究
• 4.1 复合材料的硬度
• 4.2 复合材料的拉伸性能及断裂机制
• 4.2.1 复合材料的拉伸强度
• 4.2.2 复合材料的延伸率
• 4.2.3 复合材料的载荷-位移曲线
• 4.2.4 复合材料的断口特征
• 4.2.5 复合材料的断裂机制
• 4.3 复合材料的磨损性能及磨损机制
• 4.3.1 CNTs体积分数对复合材料磨损量的影响
• 4.3.2 不同压力对复合材料磨损量的影响
• 4.3.3 磨损形貌及磨损机制
• 4.4 本章小结
• 第5章 CNTs/Al复合材料CNTs分布状态及强化机制
• 5.1 复合材料的晶粒大小
• 5.2 CNTs在复合材料中分布状态
• 5.2.1 CNTs与铝基体的界面结构
• 5.2.2 CNTs的断裂及局部团聚
• 5.2.3 CNTs分布在晶内
• 5.3 复合材料晶粒细化机制
• 5.3.1 位错和位错缠结
• 5.3.2 位错墙和位错胞
• 5.3.3 亚晶界和大角晶界形成
• 5.3.4 超细晶的形成
• 5.3.5 搅拌摩擦加工制备复合材料晶粒细化过程
• 5.4 复合材料的强化机制
• 5.4.1 细晶强化机制
• 5.4.2 位错强化机制
• 5.4.3 第二相强化机制
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢