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摘要 研究了熱壓制備的多壁碳納米管-氧化鋁復合材料的力學、電學性能及與顯微結構的關系. 通過添加 4%(質量分數)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觀察發現, 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%(質量分數)MWNTs, 并采用不同的分散混合方式, 在相同燒結成型條件下所得復合材料的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 個數量級. 研究發現, 碳納米管在復合材料中的增韌和提高導電性能方面的差異和復合材料的顯微結構有很大的關系, 而顯微結構的差異又和制備工藝之間有直接的聯系.
碳納米管(CNTs)自發現以來[1], 一直是納米材料研究領域的熱點之一. 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. 碳納米管優異的力學和電學性能使其在復合材料領域具有廣闊的應用前景. 對于碳納米管在復合材料中的應用, 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納米復合粉體, 然后真空熱壓燒結成型. 但在復合材料中, 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%, 是目前關于多壁碳納米管增韌陶瓷報道中最好的實驗結果. Zhan等人[19]采用單壁碳納米管和納米Al2O3為原料, 通過等離子燒結工藝得到致密的納米晶Al2O3復合陶瓷材料, 并用壓痕法表征斷裂韌性, 其值接近純氧化鋁的 3 倍, 同時發現復合材料具有良好的導電性. 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復合材料, 并采用單邊切口梁法重新測量了所得復合材料的斷裂韌性, 發現其值只有 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, 在復合材料中兩者之間的界面結合強度較差. 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. 所得復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工藝, 成功制備出多壁碳納米管-氧化鋁復合材料. 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; 改變相關工藝參數后, 所制備出的復合材料具有良好的導電性, 其電阻率達到 8.4×10−3 Ω·m. http://www.4000666992.com/
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