金屬顆粒的大小及形狀對(duì)碳納米管增強(qiáng)銅及銅合金的硬度和電學(xué)性能的影響_第1頁(yè)
金屬顆粒的大小及形狀對(duì)碳納米管增強(qiáng)銅及銅合金的硬度和電學(xué)性能的影響_第2頁(yè)
金屬顆粒的大小及形狀對(duì)碳納米管增強(qiáng)銅及銅合金的硬度和電學(xué)性能的影響_第3頁(yè)
金屬顆粒的大小及形狀對(duì)碳納米管增強(qiáng)銅及銅合金的硬度和電學(xué)性能的影響_第4頁(yè)
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精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)金屬顆粒的大小及形狀對(duì)碳納米管增強(qiáng)銅及銅合金的硬度和電學(xué)性能的影響摘要:利用碳納米管(CNT)的特殊性質(zhì)在金屬基復(fù)合材料(MMC)中的宏觀應(yīng)用仍然是科學(xué)與技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。由于將碳納米管摻入金屬且可擴(kuò)展的過程很困難,為商業(yè)應(yīng)用取得的成功嘗試很少。通過成熟的熱壓燒結(jié)粉末冶金法制備了碳納米管增強(qiáng)銅及銅合金(青銅)復(fù)合材料。碳納米管-金屬粉末混合與熱壓燒結(jié)的工藝參數(shù)已經(jīng)被優(yōu)化且混合粉末和復(fù)合材料的基體材料已經(jīng)被闡明。然而,金屬顆粒的大小和形狀的影響也與碳納米管的選擇一樣對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械性能與電學(xué)性能具有很大的影響。與純銅相比,銅基復(fù)合材料的硬度提高了47%,而與純銅合金相比,青銅復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高了20%。因此,碳納米管能改善高電導(dǎo)低強(qiáng)度銅金屬的機(jī)械性能,而在低電導(dǎo)高強(qiáng)度銅合金中,其電導(dǎo)率可以被改善。2實(shí)驗(yàn)2.1材料分別采用來自AhwahneeTechnologyInc的平均直徑10-20nm,長(zhǎng)度0.5-200μm的多壁碳納米管及ShenzhenDynanonicCo.,Ltd公司的平均直徑小于2nm,長(zhǎng)度5-20μm的單壁碳納米管為納米管原材料。用化學(xué)氣相沉積催化法工藝(CVD)制備了這兩種類型的納米管。選用來自Sigma–Aldrich球形顆粒大小為10μm、樹突狀顆粒大小為3μm及來自TLSTechnikGmbH球形顆粒大小為45μm的非常純的銅粉(純度>99.95%)作為原材料。作為合金化元素(Sn,Zn,Ni)被使用的球形顆粒大小為45μm的金屬粉末也來自TLS。用于制備青銅復(fù)合材料的典型成分是銅79%,錫10%,鋅3%和Ni8%。樹突狀銅粉,也就是通常被提及的電解銅粉(ECP)通過電解沉積法生產(chǎn),而通過霧化(氣/水)過程制造球形金屬粉末。表1與表2示出了納米管及金屬顆粒的規(guī)格。2.2混合粉末不同百分含量的碳納米管與金屬粉末在具有惰性氣氛(Ar)的手套箱中混合,隨后在行星式球磨機(jī)(PM400)中球磨不同時(shí)間,參數(shù)如下:球的數(shù)量:50(不銹鋼,硬度48-52HRC),每個(gè)球的直徑:10mm,球料比10:1,球磨速度:200rpm。球磨后用掃面電子顯微鏡(SEM,JEOL6500)研究碳納米管在金屬粉末中的分散。不同球磨時(shí)間和碳納米管的百分含量被用來確定納米管在不同金屬粉末中更好的分散。2.3復(fù)合材料制備混合粉末放置在充有惰性氣體(Ar)的熱壓燒結(jié)爐(DSP510)中燒結(jié)。該DSP510燒結(jié)裝置采用在模具中產(chǎn)生非常高的加熱速率的直接電阻加熱,且復(fù)合材料的整個(gè)制備過程只需最多15分鐘。通過更接近它們的理論密度,每種復(fù)合材料的燒結(jié)參數(shù)(溫度,壓力,時(shí)間,加熱和冷卻速率)被優(yōu)化。利用阿基米德原理測(cè)定復(fù)合材料的密度。燒結(jié)溫度750℃和壓力40MPa被用于Cu-CNT復(fù)合材料制備,而800℃和40MPa被用于青銅-CNT復(fù)合材料制備。2.4復(fù)合材料的表征表征前,用連續(xù)細(xì)的碳化硅砂紙對(duì)復(fù)合材料樣品進(jìn)行研磨,隨后用金剛沙懸浮液拋光至1μm。然后用光學(xué)顯微鏡(LOM,Axio卡爾蔡司成像儀)觀察被硝酸鐵或者氯化鐵腐蝕后的樣品。附帶能量色散X射線(EDX)的掃描電子顯微鏡(JEOL6500)被用來研究納米管在基體材料中的分散性及分析復(fù)合材料中的元素。用產(chǎn)自Wilson-Wol-pert,以10mm鋼球作為壓頭可產(chǎn)生3000KN力的布氏硬度測(cè)試機(jī)測(cè)量復(fù)合材料的硬度。通過一個(gè)稱為的sigmatest2.069的裝置對(duì)該復(fù)合材料的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量,其主要是通過測(cè)量基于樣品復(fù)阻抗的渦流對(duì)非鐵磁性金屬的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)未知的試件被測(cè)量時(shí),該儀器會(huì)將復(fù)雜的阻抗值轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)率值。結(jié)果與討論3.1混合性的分析在早起的文獻(xiàn)[21]中,作者表明,行星式球磨機(jī)利用很強(qiáng)的離心力在球磨罐中形成高能碾磨作用,事實(shí)上,這個(gè)作用包括碳納米管-金屬的連續(xù)碰撞,粘結(jié),壓碎及重新粘結(jié)。較短時(shí)間(30min)的球磨沒有表現(xiàn)出在基體材料中碳納米管的良好嵌入性,而延長(zhǎng)球磨時(shí)間卻促進(jìn)了金屬粉末產(chǎn)生非常大的金屬顆粒的冷焊。通過減少金屬顆粒的大小,就有可能增加碳納米管在金屬中的分散。球磨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的碳納米管及3μm的樹突狀銅顆粒1小時(shí),顯示出了碳納米管在金屬顆粒中的良好分散性(圖1a)。用在這方面的具有較高比表面積[22]的樹突狀金屬顆粒,有望提高納米管在樹突狀金屬粉末中的分散性。碳納米管的分散也促進(jìn)通過不同合金元素的碾磨以生產(chǎn)碳納米管-青銅復(fù)合材料(圖1b)。在機(jī)械合金化期間,碳納米管有望在不同合金粉末中擴(kuò)散。3.2復(fù)合材料的分析分析了納米管-金屬混合粉末之后,在最佳燒結(jié)參數(shù)中通過熱壓燒結(jié)法制備了復(fù)合材料。表3示出了用于復(fù)合材料制備的燒結(jié)參數(shù)及它們的相應(yīng)的相對(duì)密度。碳納米管的密度被認(rèn)為是2g/m3[23]。減小金屬顆粒的大小,復(fù)合材料的相對(duì)密度增加。隨著復(fù)合材料被制成10μm的球形銅顆粒,達(dá)到了理論密度的99.3%。另一方面,相比于球狀結(jié)構(gòu),樹突狀顆粒應(yīng)當(dāng)具有更低的密度(形狀越規(guī)則,粉末密度越大[24])。碳納米管含量的增加降低了復(fù)合材料的相對(duì)密度,主要是因?yàn)楣軆?nèi)的空隙與孔隙度及碳納米管之間的團(tuán)聚的增加。早期的問題[21]已經(jīng)表明,碳納米管已經(jīng)非常均勻地分散在整個(gè)基體中,且很好的嵌入在基體材料中。通過掃描電鏡從復(fù)合材料的斷面分析了碳納米管的分散。復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)也通過光學(xué)顯微鏡(LOM)分析。顯微圖像(圖2)顯示了兩種類型的相,一種是完全游離的碳納米管相,即碳納米管沒有被分散在基體中。而另一種是CNT/Cu相,即碳納米管被分散在銅基體中。在基體中碳納米管的分散取決于CNT-金屬粉末[25]混合。如果碳納米管在金屬粉末球磨過程期間被很好的分散,就會(huì)獲得分散更均勻的碳納米管。然而,在凝固過程期間,隨著納米管向晶界方向轉(zhuǎn)移,形成了純銅的初相,同時(shí)在銅基體中也形成了含有碳納米管的另一相[26]。兩相之間的一個(gè)明顯區(qū)別如圖2a所示。主要表現(xiàn)為明亮的銅相,而其他階段包含碳納米管作為黑點(diǎn)在Cu基體。明亮區(qū)顯示為初銅相,而黑點(diǎn)顯示為在銅基體中含有碳納米管的另一相。然而,一些黑點(diǎn)也有可能出現(xiàn)氧化銅(Ⅱ)。對(duì)該復(fù)合材料的表面進(jìn)行能量色散X射線(EDX)分析也確保了在復(fù)合材料中Cu,O,和C的出現(xiàn)。由于銅不形成碳化物,所以EDX中的碳峰是樣品中存在碳納米管的一個(gè)證據(jù)。3.3復(fù)合材料的表征3.3.1硬度利用布氏硬度機(jī)對(duì)碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的硬度進(jìn)行了測(cè)量(壓力29KN、使用一個(gè)鋼球)。以增長(zhǎng)碳納米管的比例作圖。圖3顯示了被制備的45μm,球形金屬粉末和不同多壁碳納米管的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的CNT-Cu和CNT-青銅復(fù)合材料的布氏硬度值。根據(jù)Erich[27],由個(gè)別的金屬相的混合物形成的不連續(xù)的金屬基復(fù)合材料表現(xiàn)出強(qiáng)度比那些從各成分的強(qiáng)度在理論上預(yù)測(cè)的高出50%。在我們的例子中,通過熱壓燒結(jié)制備的純銅的硬度也被發(fā)現(xiàn)與參考值(35H)相比高了近一倍(58HB)。然而,隨著在CNT-Cu和CNT-青銅復(fù)合材料中碳納米管量的增加,復(fù)合材料的硬度降低。具有不同顆粒大小與形狀(45μm,球形;10μm,球形和3μm,樹突狀)的純銅和Cu-0.5%多壁碳納米管復(fù)合材料的硬度被繪制在圖4中。被制備的45μm,10μm,3μm的純銅復(fù)合材料的硬度值保持在同類范圍56-60HB。然而,用過減小銅顆粒的尺寸,Cu–CNT(0.5wt.%)的硬度顯著增加。顯然,Hall–Petch關(guān)系對(duì)隨著顆粒尺寸減小硬度增加具有一定的影響。在我們的例子中,我們沒有發(fā)現(xiàn)它與純銅材料有著顯著的關(guān)系。然而,顆粒尺寸的減小很大程度上影響了納米管的摻入。隨著金屬顆粒尺寸的減小,碳納米管在基體材料中的分布增加,而這又起到了提高復(fù)合材料硬度的作用。此外,金屬顆粒的樹突狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了碳納米管在基體中的分布,也有望提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。由于銅的顆粒尺寸減小和碳納米管的更均勻分布,在銅顆粒的枝晶臂周圍提供了更高的界面強(qiáng)度具有更高的相對(duì)密度,這實(shí)際上有助于通過CNT/基體的良好的界面強(qiáng)度來分配從基體到CNTs的外部載荷。用碳納米管和3μm,樹突狀銅金屬顆粒制備的復(fù)合材料的硬度通過這種方法被提高了。通過使用3μm銅金屬顆粒,Cu–CNT(0.5wt.%)復(fù)合材料的硬度提高了42%。然而,最佳硬度值(83.5HB)在用3μm,樹突狀銅顆粒和0.1%多壁碳納米管(圖5)制備的復(fù)合材料中被達(dá)到。因此,使用3μm銅顆粒在復(fù)合材料中,Cu–CNT(0.1wt.%)復(fù)合材料的硬度可以提高到47%。進(jìn)一步增加CNT含量相當(dāng)于降低了復(fù)合材料的硬度。3.3.2電導(dǎo)率高導(dǎo)電金屬的導(dǎo)電性的改善仍是科學(xué)的一個(gè)大問題。基于定向的,彈道導(dǎo)電的碳納米管被嵌入在金屬基復(fù)合材料中可能充當(dāng)一個(gè)超低電阻材料[28]。此外,在粉末冶金燒結(jié)體中,很難達(dá)到100%的理論密度。在復(fù)合材料內(nèi)部將有一定量的孔隙率。這些孔隙是實(shí)際上的絕緣部位,從而降低了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。圖6顯示的純銅復(fù)合材料的電導(dǎo)率為58MS/m,相比于參考電導(dǎo)率(59.59MS/m)有點(diǎn)低。在銅復(fù)合材料中增加碳納米管含量會(huì)降低其電導(dǎo)率。同時(shí)使用多壁碳納米管和單壁碳納米管研究青銅復(fù)合材料的電導(dǎo)率。傳導(dǎo)基本上是通過最外的碳納米管。在使用多壁碳納米管情況下,內(nèi)部同軸納米管的相互作用可能導(dǎo)致電子性質(zhì)的變化。但是,金屬單壁碳納米管可以承受巨大的電流密度(最大109A/cm2)而不被破壞,即幅度比銅[29]高約三個(gè)數(shù)量級(jí)。圖7表明,通過添加0.1%多壁碳納米管,CNT-青銅復(fù)合材料的電導(dǎo)率增加到10%,通過添加同樣百分量的單壁碳納米管,CNT-青銅復(fù)合材料的電導(dǎo)率增加到20%。更高的CNT含量將不會(huì)增加導(dǎo)電率,而會(huì)降低其導(dǎo)電率。從依據(jù)液相燒結(jié)混合元素粉末來制備青銅復(fù)合材料,碳納米管有望通過錫熔化的短暫液相在銅晶粒內(nèi)互相連接。納米管位于Cu粒

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