碳纳米管-镁基非晶复合材料的制备及性能研究

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  镁合金具有密度小、比强度高等优点,具有广泛的应用前景。但传统的晶态镁合金强度不够高、耐蚀性差,限制了其工程应用。非晶态镁合金因其极高的强度和优异的耐腐蚀性能而受到广泛的关注。但镁基非晶合金的室温塑性差,往往在弹性变形阶段就发生了断裂,其断裂韧性 Kc 为 2.0MPa ,接近脆性硅酸盐玻璃。为解决这一问题,一种行之有效的办法是通过外加或内生复合的方法制备出非晶复合材料。利用外加陶瓷颗粒或 Fe 元素增韧,减弱了镁基非晶材料作为低密度结构材料的优势,而 Fe 颗粒增韧还要面临抗腐蚀问题。可见,引入合适的强韧相是Mg基块体非晶增韧的关键问题。   碳纳米管是中空无缝管状结构,具有较低的密度(1.35 g/cm3左右)和良好的结构稳定性;热稳定性强,在 973K 以下温度,碳纳米管在空气中基本不发生变化。理论计算表明,碳纳米管的弹性模量平均为1.8TPa,抗拉强度为钢的100倍,弯曲强度为14.2GPa。可以成为Mg基非晶合金理想的增韧相。   本文以多壁碳纳米管为增强体,利用铜模铸造法制备了体积分数为 0~4.0vt.%的CNTs-Mg基非晶复合材料。对制备过程中所涉及的碳纳米管的纯化、碳纳米管与合金的均匀混合、碳纳米管在Mg合金基体中的热稳定性、力学性能、致密性、断口表面形貌等进行了系统研究与分析。运用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、高分辨电镜以及万能电子拉伸机、热分析仪等分析测试手段,评价了复合材料的制备工艺,观察分析了复合材料的显微组织结构,测试了复合材料的室温力学性能,并对微观组织结构影响材料宏观力学性能的机制进行了初步探讨。   差压压铸法可显著提高合金的冷却速度,提高合金的制备尺寸,降低制备的非晶棒内部的缺陷,提高非晶合金的致密度。XRD图谱显示CNTs-Mg基非晶复合材料具有非晶体典型的漫散射峰,证明其非晶结构。   通过研究Mg基非晶合金及其复合材料的力学性能,发现铜模差压压铸制备的添加3.0 vol.%CNTs样品的压缩断裂强度达到1007MPa,压缩应变超过2.25%,其力学性能远优于单一的非晶合金。复合材料压缩断口出现许多直径在200nm左右的韧窝结构,说明其断裂过程出现微观韧性。CNTs在非晶基体中分散均匀,没有出现大面积的团聚现象。当CNTs超过4%时,基体中析出大量晶态相,导致材料的强度下降。   在 NaOH 溶液中的腐蚀速率随 CNTs 的增加而减小,其中( CNTs ) 3.5-(Mg59.5Cu22.9Gd11Ag6.6)96.5的腐蚀速率比Mg59.5Cu22.9Gd11Ag6.6降低了31%。
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