小组研讨作业

基于《锌基碳纳米管复合材料的界面特性及增强机理》的研讨报告——BY惊喜盒子研讨成员：许何婷12012103陈兴旺12012112王国立12012116聂乐文12012122陈友明12012221王英12012406研究背景：碳纳米管是一种新型无机材料，因其独特的中空无缝管体结构而具有了优良的性能：极高的机械强度和良好的柔韧性，高模量，高延伸率，和极高的长径比。近年来，很多研究项目都在研究以碳纳米管为增强体的复合材料。而金属作为应用最为广泛的结构材料，研究人员希望将碳纳米管应用到金属基中，以增强金属的性能。但是传统的以搅拌铸造和粉末冶金的方法，并不能实现碳纳米管和金属基的良好界面结合，得到的复合材料力学性能差，界面结合不牢固。研究方法：在《锌基碳纳米管复合材料的界面特性及增强机理》中提出了用复合电镀/化学镀工艺制备金属基碳纳米管薄膜复合材料。将碱液刻蚀后的碳纳米管分散到锌盐的电解液中，碳纳米管在通电环境下会吸附在阴极表面，再通过电解反应，碳纳米管就会被慢慢包埋在金属基体内部，在金属基体内部弥散分布。目前的研究中发现，这种方法下，镍、铜、金、铝、铁趋向于在碳纳米管表面形成串珠状金属颗粒，不能将碳纳米管整体完全覆盖、包埋，不能形成似锌基碳纳米管复合镀层中的平滑过渡的界面结构，这也是本文献中采用的是锌为基体的原因。主要结果：利用场发式扫描电镜对该复合材料进行观察，能看到细小的锌晶粒和镀层中碳纳米管的外部轮廓，表明碳纳米管被金属包覆。再将该复合材料在铜箔表面进行弯曲、断裂，用SEM观察到断裂面中间中有碳纳米管形成的桥联结构，同时碳纳米管的表层还粘附有金属，这也表明了碳纳米管和锌之间的界面结合紧密。界面的良好结合，有助于应力的传递，大大提高了该材料的力学性能。其HV硬度实验数据也表明，碳纳米管/锌复合薄膜的HV硬度较原来提升了139%-233%。研究分析：这种电沉积方法，用完全不同于传统工艺的思路，实现碳纳米管和金属基的界面有效结合，而且反应过程也避免了高温工艺，在基体还是固态的状态下实现了界面的有效结合。传统的工艺中，是将碳纳米管加入到液态熔融金属中，希望通过润湿作用让碳纳米管弥散分布到金属基中，但实际操作中很不理想。主要原因有二：一，碳纳米管表面能否被润湿的决定因素是表面张力，能将碳纳米管润湿的合适张力值在100-200mN/m2之间，而多数液态金属的表面张力都远远超出了此值。例如，Al的表面张力为865mN/m2，Cu的表面张力为1270mN/m2，Fe的表面张力为1700mN/m2。这就导致了碳纳米管不能与基体形成牢固的结合界面，就会导致其传递应力的性能差；二，传统工艺中，往往会有一些高温工艺，这些高温工艺容易对碳纳米管-金属结合部产生脆性相，在应力作用下最先断裂，降低了材料力学性能。