發(fā)布時間：2020-10-21 14:37

　　 強韌化孕鑲金剛石鉆頭鐵基胎體材料對地質(zhì)鉆頭的壽命和鉆探效率的提升有著重要的作用。本文采用在鐵基胎體中摻入碳納米管的強化方法,通過熱壓燒結(jié)制備碳納米管-鐵基復(fù)合胎體材料。首先研究比較了手動攪拌、機械球磨和活性劑方法對碳納米管的分散作用。繼而重點研究了不同碳納米管濃度對胎體的密度、硬度、抗彎強度、孔隙率和磨耗比等性能的影響規(guī)律。進(jìn)而在優(yōu)化的碳納米管濃度基礎(chǔ)上,考察評價了該碳納米管-鐵基胎體金剛石微鉆頭的鉆進(jìn)效果。為拓展該碳納米管-鐵基復(fù)合胎體材料的應(yīng)用潛力,進(jìn)一步研究了其激光表面重熔的可行性乃至激光高能束輻照對碳納米管和鐵基復(fù)合材料的影響。碳納米管-鐵基復(fù)合胎體材料的研究表明,活性劑分散方法可有效地分散碳納米管,從而顯著降低摻入的碳納米管濃度,但同時明顯提升該復(fù)合材料的性能。在碳納米管濃度為0.01-0.15 wt.%的范圍內(nèi),其硬度和抗彎強度隨碳納米管濃度的增加而先升高后下降;其中含量為0.05wt.%碳納米管對鐵基胎體的強韌化效果最佳。相比于無碳納米管摻入的鐵基胎體材料,其洛氏硬度提升10%,抗彎強度提高220%。碳納米管的有效彌散和與胎體組織的良好結(jié)合,是其發(fā)揮橋聯(lián)、拔出和裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng)所致增韌作用之重要因素。而較高的碳納米管含量會導(dǎo)致材料晶界聚集過多的碳納米管而影響組織的結(jié)合,這是抗彎強度下降的主要原因。0.05%碳納米管-鐵基復(fù)合胎體相比于原始鐵基胎體,無金剛石復(fù)合胎體的磨耗比提升31%,而含金剛石復(fù)合胎體的磨耗比提升110%。研究亦表明,在本試驗條件下,碳納米管對鐵基胎體材料密度、孔隙率和晶粒度的影響不明顯。鐵基胎體材料的高硬度主要與(γFe,Ni)和(αFe,Cr)組織中彌散分布的細(xì)小的Fe_2B金屬間化合物顆粒有關(guān)。微鉆試驗表明,含0.05 wt.%碳納米管的孕鑲金剛石鉆頭,相對于無碳納米管強化的鉆頭,胎體內(nèi)外工作層磨損量較少。進(jìn)一步展示出碳納米管對鉆頭胎體的強韌化作用。激光表面重熔研究表明,0.05%碳納米管-鐵基胎體材料的激光重熔區(qū)為枝晶(γFe,Ni)相和枝晶間(αFe,Cr)相組成的密實的重熔層和部分熔化區(qū)的顯微組織;800 W激光功率產(chǎn)生了較厚的重熔層和部分熔化區(qū)、粗大的樹枝狀結(jié)構(gòu)和較硬的重熔微結(jié)構(gòu),使碳納米管和基體的連接由機械摻雜轉(zhuǎn)變?yōu)樘技{米管被枝晶間組分包裹的冶金結(jié)合;重熔過程中激光輻照和熱退火作用使得碳納米管的外壁粗化和崩解;相對于枝晶,較硬的枝晶間結(jié)構(gòu)歸因于其中分散的碳納米管和合金成分;在部分熔化區(qū)粗顆粒硬度低,細(xì)顆粒硬度上升主要是粒狀晶的尺寸效應(yīng);800 W重熔層的硬度可與母材基體相當(dāng),這是由于碳納米管強化、合金成分和致密重熔組織中的枝晶尺寸大小所產(chǎn)生的綜合效應(yīng)。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;P634.31
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論常被稱為“超級纖維”。將碳納米管強度、彈性、韌性和抗疲勞性[43]。屬基復(fù)合材料的理想增強體[44]，近化機理料的強化作用主要有三種方式：拔遇到碳納米管后，由于碳納米管抗出。在拔出的過程中，碳納米管與礙裂紋繼續(xù)擴展（如圖 1.1）。

納米管從基體中拔出。在拔出的過程中，碳納米管與基體之間產(chǎn)生切裂紋擴展能量，阻礙裂紋繼續(xù)擴展（如圖 1.1）。圖 1.1 碳納米管的拔出作用裂紋橋聯(lián)碳納米管存在于裂紋擴展路徑中，把裂紋連接起來，并在裂紋的表面施力,阻止裂紋繼續(xù)擴展。金屬基質(zhì)中的碳納米管裂紋橋聯(lián)作用，是由塑變形帶的形成而引起的（如圖 1.2）。

（a） （b）圖 1.3 碳納米管的裂紋偏轉(zhuǎn)作用: （a）裂紋沿碳納米管軸向擴展；（b）裂紋碳納米管徑向擴展。1.2.3 碳納米管強化金屬基復(fù)合材料碳納米管在材料中起著載體的作用，與其結(jié)合，可以增強復(fù)合材料的機械能，得到性能優(yōu)異的復(fù)合材料。所以碳納米管是增強金屬基復(fù)合材料的一個很的選擇[43，48]。最初碳納米管用來增強高分子聚合物的長度。后來，碳納米管用強化陶瓷基復(fù)合材料的韌性、硬度和強度。近些年來，碳納米管強化金屬材料的應(yīng)用也在逐步增加。在航空航天，汽和體育產(chǎn)業(yè)，碳納米管增強金屬基復(fù)合材料具有潛在的應(yīng)用。如鋁基復(fù)合材碳納米管增強鋁基復(fù)合材料可以提高其彈性模量、強度性能、顯微硬度和摩擦損性能[49-52]。鎂基復(fù)合材料：與原來的相比，添加少量的碳納米管可以大大提鎂基復(fù)合材料的拉伸和壓縮性[53-56]。并且 WC 作為應(yīng)用于鉆頭胎體的材料，碳
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2850250