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一并挖掘兩種材料技術(shù)！碳納米管增強高熵合金涂層硬度、耐磨性能
2022年03月23日 11:40:12
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：6727
科研團隊利用自主開發(fā)的激光增減材系統(tǒng)成功制備出碳納米管增強的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金復(fù)合涂層。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】生活中有許多常見的同素異形體，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，這兩種都是強度和韌性非常高的材料。石墨烯是從石墨材料中剝離出來、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、儲氫材料、航空航天等。
而碳納米管則不同。從表面上來看，在晶體結(jié)構(gòu)上，碳納米纖維的晶化程度相對較差、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)，若是單從這一點來看，碳納米管的出現(xiàn)似乎僅是碳納米纖維的一個延伸。但事實上，碳納米管一直以來都被認為是最有可能取代硅的材料之一，碳納米管可以說成是卷曲的石墨烯，其長徑比和抗拉強度都超過了石墨烯，并且耐高溫強度也比石墨烯要強，是制備金屬基復(fù)合材料的理想增強體。
目前，碳納米管增強金屬基復(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。但碳納米管的團聚問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工藝參數(shù)要求嚴苛、耗時耗能等問題。
近日，廣東省科學(xué)院智能制造研究所先進激光增材制造技術(shù)創(chuàng)新團隊針對CoCrFeNi-CNTs復(fù)合粉末制備、涂層微觀組織演變過程及摩擦磨損過程強化機理展開深入研究，利用自主開發(fā)的激光增減材系統(tǒng)成功制備出碳納米管增強的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金復(fù)合涂層。
高熵合金及其涂層是近年來材料領(lǐng)域的研究熱點，具有優(yōu)異的強度、韌性、耐蝕性、耐磨性等特點，其在室溫和高溫條件下，都具有高的硬度和壓縮強度。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。通過設(shè)計不同體系的高熵合金涂層，開發(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優(yōu)異，但仍面臨著硬度和耐磨性能不夠理想的問題。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化機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題，促進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。碳納米管增強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 />
(資料來源：中國科學(xué)報、知網(wǎng))
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