【摘 要】
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碳纳米管（CNTs）具有高强度（高达100 GPa）、超杨氏模量（～1 TPa）和高长径比（最大～1000）等优良性能,是复合材料的理想增强材料。CNTs（增强材料）的加入可以显著的提高CNT/Cu复合材料的力学性能。然而CNTs的结构完整性、CNTs的分散状态以及CNTs与Cu基体之间的弱界面结合影响CNT/Cu复合材料力学性能的三个因素。本论文基于粉末冶金法制备了采用不同化学修饰的碳纳米管增强
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碳纳米管（CNTs）具有高强度（高达100 GPa）、超杨氏模量（～1 TPa）和高长径比（最大～1000）等优良性能,是复合材料的理想增强材料。CNTs（增强材料）的加入可以显著的提高CNT/Cu复合材料的力学性能。然而CNTs的结构完整性、CNTs的分散状态以及CNTs与Cu基体之间的弱界面结合影响CNT/Cu复合材料力学性能的三个因素。本论文基于粉末冶金法制备了采用不同化学修饰的碳纳米管增强铜基体的复合材料。分别研究了不同化学酸化时间的CNT对复合材料的力学性能和界面结构的影响以及添加不同含量的化学接枝有机离子盐的CNT的不同含量在金属基粉末中的分散情况对复合材料的性能影响。主要结果如下:利用化学酸化法对碳纳米管进行表面修饰,采用溶液辅助湿混法将酸化后的碳纳米管和铜悬浮液混合制备出复合粉末,探究CNTs酸化时间对碳纳米微观结构的影响规律、增强相对复合材料界面和力学性能的影响,并用计算模拟手段探讨了界面对复合材料的强化机理。酸处理24 h的CNT/Cu复合材料的抗拉强度显著提高,强度为291.5 MPa,比未经酸化处理的碳纳米管铜复合材料提高23%,主要因为酸处理方法可以引入羟基和羧基等含氧基团,同时酸化处理带来的微刻蚀利于增加CNTs和Cu基体的结合和增加界面接触面积,提高界面稳定性。O和Cu原子在CNT/Cu界面上形成Cu2O是形成CNT和Cu界面强结合的关键。用密度泛函理论（DFT）计算了解Cu2O与酸化碳管相互作用的拉伸模拟计算结果验证了实验结果,与Cu2O结合的界面强度远高于没有Cu2O的CNT/Cu复合材料的界面结合强度。在使用化学酸化碳纳米管充当原材料的前提下,对碳纳米管进行表面接枝,制备出多壁碳纳米管流体（MWNTF）,这是一种无溶剂型的可流动碳纳米管衍生物,在极性溶剂中具有良好的溶解性。表面接枝的有机离子盐之间具有一定的排斥作用,能够使增强相不容易聚集、形成团簇、实现均匀分散。将不同含量的碳纳米管类流体加入到铜基复合材料中,利用粉末冶金的方法制备出碳纳米管类流体增强铜基复合材料。采用分子共混法将MWNTF和醋酸铜盐溶液混合制成前驱体溶液,化学还原出铜纳米颗粒后经氢气还原制备复合粉末,最后热压烧结得到MWNTF/Cu复合材料。研究了经过热轧后的不同含量的MWNTF对复合材料微观结构、力学性能的影响。当添加0.75 wt%的MWNTF,复合材料的最大抗拉强度达到517.5MPa,屈服强度和抗拉强度相比于未添加增强相的纯Cu提高了294MPa和315.1MPa。揭示了这种碳纳米管类流体对复合材料力学的提高更为显著。在复合材料的界面处也发现了Cu2O,形成的化学键合对MWNTF和Cu基体之间的结合有良好的改善作用。MWNTF在复合材料中的均匀分散和良好的界面结合,提高了载荷从Cu基体向MWNTF的传递效率,从而最终提高MWNTF/Cu复合材料的力学性能。用强化机制计算后,结果表明,载荷传递和Orowan强化是主要的强化机制,复合材料的拉伸性能实验测定值和各机制贡献总和的理论计算结果具有较好的一致性。
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