碳纳米管增强陶瓷

碳纳米管增强陶瓷基复合材料的研究 碳纳米管 CNTS 简介 CNTS可以看作是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米管 分为单壁和多壁碳纳米管 碳纳米管具有优异的力学性能 由于碳原子之间存在3种基本的原子力 包括强的 键合 C C键之间的 键合以及多壁碳纳米管层与层之间的相互作用力 陶瓷材料 陶瓷材料具有共价键与复杂离子键的键合以及复杂的晶体结构 因而呈现耐高温 耐磨损 质量轻和高温下强度保持率高等优异的性能 碳纳米管增强陶瓷的目的 陶瓷材料最大的缺点就是脆性 而CNTS有独特的力学性能 因此利用CNTS的这一性质 在陶瓷制备过程中加入CNTS 这样就可以很大地提高陶瓷材料的断裂韧性 CNTS在陶瓷基复合材料中存在的问题 分散性 界面性 结构蚀变性 分散性碳纳米管半径小 长径大 表面积大 很容易发生团聚并相互缠结 导致其很难均匀分散到基体材料中 界面性CNTS表面活性较低 很难与基体形成有效的界面结合和承载转换 结构蚀变性由于在用各种烧结方法在制备CNTS 陶瓷基复合材料时会使碳纳米管发生结构蚀变而影响其性能 解决CNTS在陶瓷基复合材料存在的问题的方法 解决分散性的方法 表面改性法 原位生成法 化学沉淀法 机械球磨法 化学沉淀法 定义 它是将沉淀剂 OH CO32 SO42 等 加入到金属盐溶液中进行沉淀处理 再将沉淀物过滤 干燥 锻烧 就制得纳米级化合物粉末 是典型的液相法 它又包括共沉淀和均相沉淀法 共沉淀法 将沉淀剂加入混合金属盐溶液中 使各组分混合均匀地沉淀 再将沉淀物过滤 干燥 锻烧 即得纳米粉末 均相沉淀法 一般的沉淀过程是不平衡的 但如果控制溶液中的沉淀剂浓度 使之缓慢地增加 则可使溶液中的沉淀反应处于平衡状态 且沉淀可在整个溶液中均匀地出现 这种沉淀称为均相沉淀法 工艺流程 化学沉淀剂的配制与投加 沉淀剂与原水混合 反应 固液分离泥渣处理与利用 应用实例 SeungI等将CNTS用HF HNO3和H2SO4等氧化处理后与Al NO3 3 9H2O混合 经处理后 在分子水平上获得了CNTS分散性良好的CNTS Al2O3纳米复合粉体 经放电等离子烧结后 复合材料中CNTS在基体中分散良好 并与基体界面结合较好 机械球磨法 定义 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动 使硬球对原料进行强烈的撞击 研磨和搅拌 把粉体粉碎为超细级颗粒的方法 工艺 在研磨过程中 通过研磨介质与粒子 粒子与粒子间的挤压 剪切 冲击等作用达到复合的目的 原理 研磨过程是母粒子在多种作用力的作用下循环变形的过程 可导致颗粒大角度晶界的重新组合 使粉体的组织逐步细化 最后达到不同原子互相渗入和扩散 能够获得常规方法难以制备的超细复合材料 如果将两种或两种以上金属粉体同时放入球磨机的球磨罐中进行高能球磨 粉体颗粒经压延 压合 碾碎 再压合的反复过程 最后可以获得组织和成分分布均匀的超细复合粒子 由于这种方法是利用机械能达到合金化 使某些在常规条件下不能进行反应的体系在较低温度下直接进行化学反应 所以高能球磨制备合金粉体的方法 也属于机械化学法 应用实例 KaleemAhmad等采用超声波将MWNTS和Al2O3分散到乙醇中 将所得的浆体球磨24h 干燥后于1400 和50MPa压力下真空烧结 相对于纯氧化铝 含有5 碳纳米管的复合材料的电导率提升了12个数量级 断裂韧性提高了39 解决界面性的方法 表面无机纳米颗粒包裹法 反应烧结法 反应烧结法 定义 将干燥粉料充填入模型内 再从单轴方向边加压边加热 使成型和烧结同时完成的一种烧结方法 随着温度的上升和时间的延长 固体颗粒相互键联 晶粒长大 空隙 气孔 和晶界逐渐减少 通过物质的传递 其总体积收缩 密度增加 最后成为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体 这种现象称为烧结 反应热压烧结工艺 在烧结传质过程中 除利用表面自由能下降和机械作用力推动外 再加上一种化学反应能作为推动力或激活能 以降低烧结温度 亦降低了烧结难度 从能量及结构转变的过程看 在多晶转变或煅烧分解过程中 通常都有明显的热效应 质点都处于一种高能 介稳和接收调整的超可塑状态 此时 促使质点具有足够的机械应力 以诱导 触发 促进转变 质点便可能顺利地从一种高能介稳态转变到另一种低能稳定状态 可降低工艺难度 特点是热能 机械能 化学能三者缺一不可 紧密配合促使转变完成 应用实例 JingWang等将MWNTS Al2O3和SiO2粉末混合后于1600热压烧结制得CNTS 莫来石复合材料 当碳纳米管的添加量为5 时 复合材料的抗折强度和断裂韧性分别提高10 和78 显微结构表明 碳纳米管与莫来石基体具有较强的界面结合 解决结构蚀变性的方法 热压或热等静压烧结法 放电等离子烧结 放电等离子烧结 定义 放电等离子烧结 SPS 将直流脉冲电压加到粉体试料上 除了能利用通常放电加工所引起的烧结促进作用外 还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术 等离子体烧结制备样品流程 选择适当模具 计算所需粉体质量 填充模具 施加压力 放入等离子体烧结 静压成形 电脑调节烧结参数等离子体快速烧结 试样样品 性能检测与研究 应用实例