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摘要 研究了熱壓制備的多壁碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料的力學、電學性能及與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系. 通過添加 4%(質(zhì)量分數(shù))的MWNTs(多壁碳納米管), 所得材料的斷裂韌性KIC達到 5.55 MPa· m1/2, 是相同條件下所得純氧化鋁斷裂韌性的 1.8倍. 通過SEM觀察發(fā)現(xiàn), 其增韌機制主要是碳納米管對氧化鋁晶界的釘扎機制, 碳納米管的拔出機制也有一定的作用. 添加 2%(質(zhì)量分數(shù))MWNTs, 并采用不同的分散混合方式, 在相同燒結(jié)成型條件下所得復(fù)合材料的KIC為 3.97 MPa·m1/2, 和純氧化鋁相比有所提高; 而其電阻率達到 8.4×10−3 Ω· m, 和純氧化鋁相比, 降低了 14 個數(shù)量級. 研究發(fā)現(xiàn), 碳納米管在復(fù)合材料中的增韌和提高導(dǎo)電性能方面的差異和復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系, 而顯微結(jié)構(gòu)的差異又和制備工藝之間有直接的聯(lián)系.
碳納米管(CNTs)自發(fā)現(xiàn)以來[1], 一直是納米材料研究領(lǐng)域的熱點之一. 理論計算和實驗研究[2~9]表明, 碳納米管具有非常優(yōu)異的力學性能和電學性能. Krishnan等人[2]報道單壁碳納米管(SWNTs)的平均彈性模量為 1.25 TPa. Yu等人[3]實驗測得多壁碳納米管(MWNTs)的平均彈性模量在 270~950 GPa之間, 斷裂強度在 11~63 GPa之間. 碳納米管的電學性能和其管徑及管壁的螺旋角都有很大的關(guān)系, Issi等人[8]采用兩點法測得室溫下碳納米管的軸向電阻率達到 10−7 Ω· m. 碳納米管優(yōu)異的力學和電學性能使其在復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景. 對于碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用, 大部分研究者將注意力集中在碳納米管增強高分子基體材料上[10~12], 增韌補強陶瓷基體的工作還處于起步和摸索階段. 到目前為止, 多壁碳納米管增韌陶瓷的研究效果都不太令人滿意. Peigney等人[13~17]用原位方法制備出CNTs-Fe-Al2O3, CNTs-Fe/Co-MgAl2O4和CNTs-Co-Mg納米復(fù)合粉體, 然后真空熱壓燒結(jié)成型. 但在復(fù)合材料中, 碳納米管不僅沒有起到增韌補強的作用, 反而使其抗彎強度和斷裂韌度都有所下降. Siegel等人[18]通過多壁碳納米管增韌氧化鋁陶瓷, 斷裂韌性和純氧化鋁相比提高了 24%, 是目前關(guān)于多壁碳納米管增韌陶瓷報道中最好的實驗結(jié)果. Zhan等人[19]采用單壁碳納米管和納米Al2O3為原料, 通過等離子燒結(jié)工藝得到致密的納米晶Al2O3復(fù)合陶瓷材料, 并用壓痕法表征斷裂韌性, 其值接近純氧化鋁的 3 倍, 同時發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性. 但是, 最近Sheldon等人[20]指出, Zhan等人采用的壓痕法過高地估計了復(fù)合材料的斷裂韌性, 并分析了原因. Wang等人[21]采用Zhan等人的方法制備了SWNTs/Al2O3復(fù)合材料, 并采用單邊切口梁法重新測量了所得復(fù)合材料的斷裂韌性, 發(fā)現(xiàn)其值只有 3.32 MPa·m1/2, 略高于純氧化鋁的斷裂韌性值(3.22 MPa·m1/2).
對于陶瓷基碳納米管復(fù)合材料的研究, 主要存在兩大難點. 一是碳納米管在基體中的分散. 碳納米管有較大的長徑比, 管與管之間互相纏繞交織成較大的團聚體, 這種固有的特性決定了其難以分散的特點. 二是碳納米管和陶瓷材料之間的相容性較差, 在復(fù)合材料中兩者之間的界面結(jié)合強度較差. Peigney 等人為了解決分散性問題, 在納米氧化鋁粉體中原位制備碳納米管然后加以燒結(jié). 所得復(fù)合材料中碳納米管具有較好的單分散性, 但是碳納米管和基體之間存在明顯的空隙, 這樣碳納米管不能有效地承載載荷, 不能起到增韌補強的作用. 不同于Zhan等人, 本文選擇在水性體系中分散混合碳納米管, 采用常壓氬氣氣氛保護熱壓燒結(jié)工藝, 成功制備出多壁碳納米管-氧化鋁復(fù)合材料. 采用單邊切口梁法直接測量所得樣品的斷裂韌性, 其值達到 5.55 MPa·m1/2, 和氧化鋁相比提高了 80%, 而強度幾乎沒變; 改變相關(guān)工藝參數(shù)后, 所制備出的復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性, 其電阻率達到 8.4×10−3 Ω·m. http://tjlzty.com/
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