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一并挖掘兩種材料技術(shù)！碳納米管增強(qiáng)高熵合金涂層硬度、耐磨性能
2022年03月23日 11:40:12
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點(diǎn)擊量：6654
科研團(tuán)隊(duì)利用自主開(kāi)發(fā)的激光增減材系統(tǒng)成功制備出碳納米管增強(qiáng)的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金復(fù)合涂層。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】生活中有許多常見(jiàn)的同素異形體，例如黃磷與白磷、氧氣與臭氧等。而碳元素的最大特點(diǎn)之一是存在著眾多同素異形體，涵蓋從零維到三維所有形態(tài)，如以C60為代表的富勒烯(零維)、卡賓(一維)、碳納米管(準(zhǔn)一維)、石墨烯(二維)，以及人們所熟知的石墨和金剛石(三維)。其中，石墨烯和碳納米管是近年來(lái)在納米材料研究領(lǐng)域中的兩顆新星。
碳納米管和石墨烯都屬于石墨類(lèi)材料，由于碳原子的排列組合不同，形成了螺旋狀的碳納米管和片狀的石墨烯，這兩種都是強(qiáng)度和韌性非常高的材料。石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，即為“單層石墨片”，是構(gòu)成石墨的基本結(jié)構(gòu)單元。石墨烯的應(yīng)用非常廣泛，被用于基礎(chǔ)研究、傳感器、晶體管、柔性顯示屏、新能源電池、海水淡化、儲(chǔ)氫材料、航空航天等。
而碳納米管則不同。從表面上來(lái)看，在晶體結(jié)構(gòu)上，碳納米纖維的晶化程度相對(duì)較差、缺陷較多、石墨層片排列不連續(xù)并且直徑較大，算不上是真正屬于碳的晶體結(jié)構(gòu)，若是單從這一點(diǎn)來(lái)看，碳納米管的出現(xiàn)似乎僅是碳納米纖維的一個(gè)延伸。但事實(shí)上，碳納米管一直以來(lái)都被認(rèn)為是最有可能取代硅的材料之一，碳納米管可以說(shuō)成是卷曲的石墨烯，其長(zhǎng)徑比和抗拉強(qiáng)度都超過(guò)了石墨烯，并且耐高溫強(qiáng)度也比石墨烯要強(qiáng)，是制備金屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。
目前，碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料仍主要采用冷壓燒結(jié)、攪拌鑄造、攪拌摩擦加工、粉末冶金、高壓扭轉(zhuǎn)、離子噴涂等技術(shù)制備。但碳納米管的團(tuán)聚問(wèn)題始終是制約其工業(yè)應(yīng)用的主要原因之一，并且球磨和超聲分散方法均存在對(duì)工藝參數(shù)要求嚴(yán)苛、耗時(shí)耗能等問(wèn)題。
近日，廣東省科學(xué)院智能制造研究所先進(jìn)激光增材制造技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對(duì)CoCrFeNi-CNTs復(fù)合粉末制備、涂層微觀組織演變過(guò)程及摩擦磨損過(guò)程強(qiáng)化機(jī)理展開(kāi)深入研究，利用自主開(kāi)發(fā)的激光增減材系統(tǒng)成功制備出碳納米管增強(qiáng)的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金復(fù)合涂層。
高熵合金及其涂層是近年來(lái)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性、耐磨性等特點(diǎn)，其在室溫和高溫條件下，都具有高的硬度和壓縮強(qiáng)度。高熵合金及其涂層在表面工程領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。通過(guò)設(shè)計(jì)不同體系的高熵合金涂層，開(kāi)發(fā)高效的制備工藝方法，將其應(yīng)用于表面工程領(lǐng)域，有望成為耐磨、耐蝕、耐熱等極端環(huán)境裝備關(guān)鍵部件表面強(qiáng)化的理想手段。盡管傳統(tǒng)的fcc單相CoCrFeNi系列高熵合金耐腐蝕性?xún)?yōu)異，但仍面臨著硬度和耐磨性能不夠理想的問(wèn)題。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化機(jī)械混合粉末工藝能夠?qū)崿F(xiàn)碳納米管在粉末表面的彌散附著，碳納米管的結(jié)構(gòu)完整性得到保持；激光照射能量使多壁碳納米管的外部碳層結(jié)構(gòu)分解，涂層的硬度水平提高了40%以上。并且在圖層摩擦磨損的過(guò)程中，晶間碳化物共晶逐漸在磨損表面沉積形成了致密的碳化物硬化層，從而提高了特層的耐磨損性能，其磨損速率下降近80%。該研究解決了硬度和耐磨性能不夠理想的問(wèn)題，促進(jìn)了該系列合金的工業(yè)應(yīng)用。
近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來(lái)。碳納米管增強(qiáng)激光熔覆高熵合金復(fù)合涂層的研究，有助于高熵合金涂層多方面性能的研究，并將其應(yīng)用在更為廣泛的領(lǐng)域，如刀具切削鋼或高速鋼上的硬涂層、核燃料的高壓容器用保殼材料、隔熱涂層、船舶與海洋耐腐蝕材料等。作為一種新型的表面涂層，高熵合金涂層具有廣泛地應(yīng)用空間及發(fā)展?jié)摿Α?br />
(資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)、知網(wǎng))
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