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一并挖掘兩種材料技術！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 作者：羊舌木 點擊量：6667
科研團隊利用自主開發的激光增減材系統成功制備出碳納米管增強的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金復合涂層。
【化工儀器網 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，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”，是構成石墨的基本結構單元。石墨烯的應用非常廣泛，被用于基礎研究、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，在晶體結構上，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并且直徑較大，算不上是真正屬于碳的晶體結構，若是單從這一點來看，碳納米管的出現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，是制備金屬基復合材料的理想增強體。
目前，碳納米管增強金屬基復合材料仍主要采用冷壓燒結、攪拌鑄造、攪拌摩擦加工、粉末冶金、高壓扭轉、離子噴涂等技術制備。但碳納米管的團聚問題始終是制約其工業應用的主要原因之一，并且球磨和超聲分散方法均存在對工藝參數要求嚴苛、耗時耗能等問題。
近日，廣東省科學院智能制造研究所先進激光增材制造技術創新團隊針對CoCrFeNi-CNTs復合粉末制備、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，利用自主開發的激光增減材系統成功制備出碳納米管增強的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金復合涂層。
高熵合金及其涂層是近年來材料領域的研究熱點，具有優異的強度、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域的應用發展迅速。通過設計不同體系的高熵合金涂層，開發高效的制備工藝方法，將其應用于表面工程領域，有望成為耐磨、耐蝕、耐熱等極端環境裝備關鍵部件表面強化的理想手段。盡管傳統的fcc單相CoCrFeNi系列高熵合金耐腐蝕性優異，但仍面臨著硬度和耐磨性能不夠理想的問題。
研究團隊發現，通過優化機械混合粉末工藝能夠實現碳納米管在粉末表面的彌散附著，碳納米管的結構完整性得到保持；激光照射能量使多壁碳納米管的外部碳層結構分解，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應用。
近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。碳納米管增強激光熔覆高熵合金復合涂層的研究，有助于高熵合金涂層多方面性能的研究，并將其應用在更為廣泛的領域，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用空間及發展潛力。
(資料來源：中國科學報、知網)
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