碳纳米管增韧Ti( C, N)基金属陶瓷

   2020-09-01 互联网中国铸造网12680
核心提示:Ti(C,N)基金属陶瓷由于硬度高、耐磨性好,高温化学稳定性好等优异性能而被广泛应用于金属切削加工,在钢和

Ti(C,N)基金属陶瓷由于硬度高、耐磨性好,高温化学稳定性好等优异性能而被广泛应用于金属切削加工,在钢和铸铁的半精加工和精加工方面有逐步取代WC-Co系硬质合金刀具的趋势。然而,由于相对较低的断裂韧性,Ti(C,N)基金属陶瓷刀具在切削加工时常以崩刃的方式损坏,限制了其作为刀具材料在切削加工领域的进一步推广应用。因此,Ti(C,N)基金属陶瓷的增韧成为一个重要课题。

上世纪末发现的碳纳米管(Carbonnana-tubes,CNT),由于无缝管状结构和管身良好的晶化程度赋予其优异的力学性能,如极高的强度和良好的柔韧性,因此被广泛认为是一种理想的复合材料增强体。碳纳米管在增强金属基复合材料、聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料中都已取得了优异的效果。用碳纳米管来增韧Ti(C,N)基金属陶瓷显然是一个合理的思路,初步的研究工作已经显示了令人鼓舞的结果。

我国安徽建筑工业学院李燕等人用镀Co的碳纳米管加入到Ti(C,N)基金属陶瓷中去,结果使金属陶瓷的维氏硬度和断裂韧性分别增加了42%和113%。

研究表明,加入碳纳米管之前对碳纳米管进行表面镀钴,可提高碳纳米管与金属钴的润湿性和分散性,可以被有效分散,较少结团,以填充为主,试样中孔隙较少,致密度较高;同时碳纳米管又有着与金刚石相当的极高硬度,起到较好的纤维增强作用,所以金属陶瓷硬度比未加碳纳米管的有所增加。

添加碳纳米管的金属陶瓷中,当裂纹扩展遇到与裂纹扩展方向成较大角度或者垂直的碳纳米管时,裂纹受阻,由于碳纳米管强度大于Ti(C,N)基金属陶瓷基体,会造成碳纳米管的桥联和拔出。这种碳纳米管的桥联和拔出会消耗额外的能量,从而提高金属陶瓷材料的断裂韧性。

另外,碳纳米管的一个重要特点是热膨胀系数接近于零,而且是各向同性的;碳纳米管又具有很高的热导率,被认为是目前世界上最好的导热材料。因此,碳纳米管的加入可降低金属陶瓷的热膨胀系数、增加导热系数,对于改善材料的抗热震性很有利。初步的试验工作已经证实了这一点。

另有合肥工业大学的工作用镀镍的碳纳米管加入到Ti(C,N)基金属陶瓷中去,也使材料的断裂韧性提高29%~63%。该工作发现,尽管碳纳米管的加入使试样的致密度有一定程度的下降,在组织中观察到微孔洞的存在,但这些微孔洞并没有对材料的韧性造成危害。相反,一定数量的微孔洞对复合材料的断裂韧性有积极作用,因为当裂纹扩展至微孔洞处时,孔洞对裂纹尖端有钝化作用,裂纹穿过孔洞继续扩展时,需要萌生新的裂纹,这就需要消耗更多的能量,从而提高了材料的断裂韧性。(一员)


 
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