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一并挖掘两种材料技术！碳纳米管增强高熵合金涂层硬度、耐磨性能

2022-03-23 14:27:49来源：化工仪器网阅读量：435 评论

　　生活中有许多常见的同素异形体，例如黄磷与白磷、氧气与臭氧等。而碳元素的最大特点之一是存在着众多同素异形体，涵盖从零维到三维所有形态，如以C60为代表的富勒烯(零维)、卡宾(一维)、碳纳米管(准一维)、石墨烯(二维)，以及人们所熟知的石墨和金刚石(三维)。其中，石墨烯和碳纳米管是近年来在纳米材料研究领域中的两颗新星。

　　碳纳米管和石墨烯都属于石墨类材料，由于碳原子的排列组合不同，形成了螺旋状的碳纳米管和片状的石墨烯，这两种都是强度和韧性非常高的材料。石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，即为“单层石墨片”，是构成石墨的基本结构单元。石墨烯的应用非常广泛，被用于基础研究、传感器、晶体管、柔性显示屏、新能源电池、海水淡化、储氢材料、航空航天等。

　　而碳纳米管则不同。从表面上来看，在晶体结构上，碳纳米纤维的晶化程度相对较差、缺陷较多、石墨层片排列不连续并且直径较大，算不上是真正属于碳的晶体结构，若是单从这一点来看，碳纳米管的出现似乎仅是碳纳米纤维的一个延伸。但事实上，碳纳米管一直以来都被认为是最有可能取代硅的材料之一，碳纳米管可以说成是卷曲的石墨烯，其长径比和抗拉强度都超过了石墨烯，并且耐高温强度也比石墨烯要强，是制备金属基复合材料的理想增强体。

　　目前，碳纳米管增强金属基复合材料仍主要采用冷压烧结、搅拌铸造、搅拌摩擦加工、粉末冶金、高压扭转、离子喷涂等技术制备。但碳纳米管的团聚问题始终是制约其工业应用的主要原因之一，并且球磨和超声分散方法均存在对工艺参数要求严苛、耗时耗能等问题。

　　近日，广东省科学院智能制造研究所先进激光增材制造技术创新团队针对CoCrFeNi-CNTs复合粉末制备、涂层微观组织演变过程及摩擦磨损过程强化机理展开深入研究，利用自主开发的激光增减材系统成功制备出碳纳米管增强的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金复合涂层。

　　高熵合金及其涂层是近年来材料领域的研究热点，具有优异的强度、韧性、耐蚀性、耐磨性等特点，其在室温和高温条件下，都具有高的硬度和压缩强度。高熵合金及其涂层在表面工程领域的应用发展迅速。通过设计不同体系的高熵合金涂层，开发高效的制备工艺方法，将其应用于表面工程领域，有望成为耐磨、耐蚀、耐热等极端环境装备关键部件表面强化的理想手段。尽管传统的fcc单相CoCrFeNi系列高熵合金耐腐蚀性优异，但仍面临着硬度和耐磨性能不够理想的问题。

　　研究团队发现，通过优化机械混合粉末工艺能够实现碳纳米管在粉末表面的弥散附着，碳纳米管的结构完整性得到保持；激光照射能量使多壁碳纳米管的外部碳层结构分解，涂层的硬度水平提高了40%以上。并且在图层摩擦磨损的过程中，晶间碳化物共晶逐渐在磨损表面沉积形成了致密的碳化物硬化层，从而提高了特层的耐磨损性能，其磨损速率下降近80%。该研究解决了硬度和耐磨性能不够理想的问题，促进了该系列合金的工业应用。

　　近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。碳纳米管增强激光熔覆高熵合金复合涂层的研究，有助于高熵合金涂层多方面性能的研究，并将其应用在更为广泛的领域，如刀具切削钢或高速钢上的硬涂层、核燃料的高压容器用保壳材料、隔热涂层、船舶与海洋耐腐蚀材料等。作为一种新型的表面涂层，高熵合金涂层具有广泛地应用空间及发展潜力。

　　原标题：一并挖掘两种材料技术！碳纳米管增强高熵合金涂层硬度、耐磨性能

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