【摘 要】
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碳纳米相(碳纳米管与石墨烯)有着极其优异的物理性能与化学性能,是十分理想的金属基复合材料的增强相,在航空航天、电子等领域有着广阔的应用空间。不过碳纳米相在金属基体中的分散性、与金属基体之间的结合性、结构完整性等关键问题阻碍了碳纳米相增强金属基复合材料在工程上的应用。同时,一维的碳纳米管与二维的石墨烯的独特结构造就了两者性能上的各向异性,因此,碳纳米相在金属基体中的随机取向排列也是限制发挥其强化能力
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碳纳米相(碳纳米管与石墨烯)有着极其优异的物理性能与化学性能,是十分理想的金属基复合材料的增强相,在航空航天、电子等领域有着广阔的应用空间。不过碳纳米相在金属基体中的分散性、与金属基体之间的结合性、结构完整性等关键问题阻碍了碳纳米相增强金属基复合材料在工程上的应用。同时,一维的碳纳米管与二维的石墨烯的独特结构造就了两者性能上的各向异性,因此,碳纳米相在金属基体中的随机取向排列也是限制发挥其强化能力的因素之一。通过片状粉末冶金技术与外加磁场技术,制备了碳纳米相定向排列于Cu基体中的复合材料,探讨了磁场对镀镍碳纳米相取向排列的影响,研究了Ni@碳纳米相对复合材料组织结构、电学性能、力学性能及强化机制的影响。试验结果表明:通过外加磁场技术,成功实现了Ni@碳纳米相在Cu基体中的定向排列,对于一定含量的Ni@碳纳米相,增大磁场强度有利于Ni@碳纳米相在Cu基体中的均匀分散以及定向排列;对于一定强度的磁场,增加Ni@碳纳米相的含量会提高其出现团聚的可能性;而增加片状Cu粉的尺寸,在一定程度上有利于Ni@碳纳米相定向程度的提高,但尺寸过大的Cu粉将导致复合材料致密度的下降。同时大尺寸的Ni@碳纳米相对磁场的变化较为敏感。化学镀覆的Ni纳米颗粒不仅阻碍了碳纳米相之间的团聚,改善了碳纳米相在Cu基体中的分散性,同时作为过渡层,改善了碳纳米相与Cu基体之间的润湿性及界面结合。磁场取向复合材料的电学性能与力学性能较未经磁场处理复合材料有所提高,并且电学性能与力学性能呈各向异性,即沿碳纳米相定向排列方向最优。Ni@CNTs/Cu复合材料在磁场强度为1.5T时,Ni@CNTs的取向性与分散性综合最佳,取向指数为0.97145,导电率为76.3%IACS,拉伸强度为336MPa。Ni@Gr/Cu复合材料在磁场强度为2T时,Ni@Gr的取向性与分散性综合最佳,取向指数为0.97787,导电率为86.6%IACS,拉伸强度为368MPa。复合材料中的主要强化机制包括细晶强化机制、载荷转移机制、Orowan强化机制和热错配强化机制。
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