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CNTFe_3Al金属间化合物基复合材料的制备和性能研究

CNTFe_3Al金属间化合物基复合材料的制备和性能研究CNT/Fe_3Al金属间化合物基复合材料的制备和性能研究由于碳纳米管（CNTS独特的中空管状结构与性能及其在纳米电子器件和高性能纳米材料中的潜在应用，它一经发现即刻受到了广泛的关注。碳纳米管具有非常独特、十分完美的微观结构和非常大的长经比，同时具有超常力学性能以及优良的电学性能，被认为是纳米复合材料的理想添加相，成为制备超强复合材料的极限形式。碳纳米管复合材料是碳纳米管应用研究的一个重要组成部分。目前碳纳米管复合材料研究主要集中在有机聚合物、陶瓷上，对金属间化合物基纳米管复合材料的研究很少，因此，开展对碳纳米管／...

CNT/Fe_3Al金属间化合物基复合材料的制备和性能研究由于碳纳米管（CNTS独特的中空管状结构与性能及其在纳米电子器件和高性能纳米材料中的潜在应用，它一经发现即刻受到了广泛的关注。碳纳米管具有非常独特、十分完美的微观结构和非常大的长经比，同时具有超常力学性能以及优良的电学性能，被认为是纳米复合材料的理想添加相，成为制备超强复合材料的极限形式。碳纳米管复合材料是碳纳米管应用研究的一个重要组成部分。目前碳纳米管复合材料研究主要集中在有机聚合物、陶瓷上，对金属间化合物基纳米管复合材料的研究很少，因此，开展对碳纳米管／金属间化合物基复合材料的研究具有创新性。本文综述了当前碳纳米管增强聚合物、金属、陶瓷复合材料的最近研究进展，紧紧围绕碳纳米管纳米复合材料这个当前研究热点，利用碳纳米管具有的弹性模量高、强度高、韧性好，长径比大以及耐磨性高的特点，将碳纳米管与金属间化合物复合，一方面希望充分发挥碳纳米管力学性能方面的优势，对金属间化合物起到增韧补强的作用；另外，有可能利用碳纳米管的电学、磁学及吸波性等性能得到一种具有某种特定功能的复合材料。基于以上分析，本文设计和制备了一种新型的多壁碳纳米管／Fe₃Al金属间化合物基复合材料，并对复合材料的制备工艺、物理性能（力学、电学、磁学性能）、微观结构、增韧机制进行了系统研究。主要研究内容如下：论文首先对碳纳米管和铁铝金属间化合物的界面进行了理论设计，建立了碳纳米管的理论学模型，借助于固体与分子经验电子理论对其价电子结构进行分析，利用界面电子结构的计算模型和方法研究了两相的界面电子结构，结果发现电子密度偏离连续，界面存在一定的应力，这是一种更高级别的界面强韧化。采用差热分析的实验方法探讨了碳纳米管与基体相的化学相容性，结果表明二者相容性良好；借助于X射线光电子能谱分析了复合材料界面的成分，分析表明，Fe和Al形成Fe-AI键时，Fe原子的内层电子结合能减少，而Al原子的内层电子结合能增加。首次采用基于TFDC!论建立的“二原子模型”计算了机械合金化过程中Fe相和AI相的应变，结果表明Fe相应变为0.1142，AI相应变为一0.1961，说明Fe相膨胀，AI相收缩，这与利用XRD图谱计算结果一致。这也为“二原子模型”在机械合金化会属间化合物领域的应用开辟了广阔的前景。利用TEMHREMSEM等显微分析手段，对碳纳米管自身的结构、形貌、缺陷等进行了研究。结果表明，所用碳纳米管纯度比较高，直径在40〜60nm，长度为几微米到几十微米，长径比大于100。纳米管本身不是很直，存在扭折、弯曲等缺陷。采用不同的烧结方法包括真空热压和快速等离子体烧结，获得了致密的碳纳米管／铁铝金属间化合物复合材料。在放电等离子体烧结过程中，碳纳米管的加入使烧结致密化曲线上移，烧结速度提高，即碳纳米管的加入加速了复合材料烧结过程的传质，提高了烧结效率。Fe₃AI的晶粒生长活化能为Q=169kJ/mol，低于热压烧结Fe₃AI的表观活化能(212kJ/mol)，这是由于等离子体对颗粒表面的活化和净化作用，降低了颗粒的表观活化能，促进了烧结过程的扩散，晶粒的生长速度快于普通的热压烧结。碳纳米管添加入到Fe₃AI金属间化合物基体中可以很好地促进复合材料烧结，降低复合材料烧结温度，这主要归因于金属间化合物粉体火花放电和碳纳米管的“尖端放电”的耦合效应。在实验的基础上，对其力学性能进行了测试与分析，当碳纳米管含量为3voI％时，复合材料的断裂韧性达到40MPa・m^1/2，约为纯Fe₃AI的(25MPa•m^1/2)1.6倍。这个韧性对于结构材料来说是相当高的，其增长幅度在已报道的金属间化合物基复合材料中也是居于前列。与断裂韧性相对比，复合材料的压缩屈服强度也有明显的改善，并且当碳纳米管的含量超过3％时，复合材料的屈服强度虽然有所下降，但仍然高于基体的强度。对显微组织的观察和分析结果显示，除了添加的碳纳米管外，在Fe₃Al金属间化合物基体中弥散着微量的纳米AI_{2v/sub>O_{3v/sub>粒子，主要是由于操作时引入的氧造成的。Fe-Al金属间化合物存在有序化程度不均匀现象，大部分区域为具有DO₃₃AI组织，同时存在少量的B2结构。碳纳米管在烧结过程中以其独特的管状结构和多层壁结构保持下来，并且与基体良好的界面结合，有利于耦合两者的物理性能，从而改善了金属间化合物基体的力学性能。研究结果表明，碳纳米管与基体之间具有良好的界面结合，这是其强度提高的内在因素。而断裂韧性的提高的机制主要有：碳纳米管的拔出、桥联、裂纹偏转以及碳纳米管形成交叉帘布结构等。利用交变梯度样品磁强计（AGM对复合材料的磁学性能进行了研究，磁滞回线表明材料具有优良软磁性能，放电等离子体烧结的碳纳米管含量为3voI％的CNT／Fe₃AI金属间化合物基复合材料的饱和磁化强度为103.59emu/g,矫顽力达到24.32Oe。随着碳纳米管含量的变化，复合材料的矫顽力变化遵循三次四项式。基于传统的磁滞机理，发展了具有圆柱形状杂质的含杂理论，结合应力理论，给出了复合材料的矫顽力的表达式，不同体积含量的碳纳米管的复合材料的磁滞机理由含杂理论和应力理论协同控制。复合材料的室温电学性能研究发现，电导率随碳纳米管含量增加而降低，碳纳米管的功函数与Fe₃Al的费米能级之间存在着差异，这样在这些相界处形成很高的势垒。这个势垒阻碍了载流子在Fe₃Al与碳纳米管之间的传输，从而引起电导率降低。另外，碳纳米管自身的缺陷（弯曲或曲折）、在热压过程中碳纳米管的分布以及碳纳米管的接触电阻都在一定程度上对电子散射造成影响，从而降低了复合材料的电导率。基于金属薄膜F-S理论和二流体模型对复合材料的电导率进行了模拟，当晶界散射系r趋于零时，实验值和模拟值吻合比较好，这表明复合材料中晶界散射对材料的电阻率的影响可以忽略。
总结
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以上研究成果，本论文首次对CNT/Fe₃Al金属间化合物基复合材料的制备、微观结构、物理性能（力学、电学、磁学性能）进行了研究，为该材料的实际应用提供了重要的理论基础。CNT／Fe₃Al金属间化合物基复合材料具有优异的物理性能；较高的断裂韧性、屈服强度，良好的软磁性能、电学性能，使其可应用于对复合材料综合性能应用较高的工作场合，如作为电热合金在印染行业的焙烘机的加热棒，作为软磁材料在通讯，家电、广播电视、电子技术等高频领域应用}}

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