基于申请者在纳米WC-Co复合粉末和纳米硬质合金块体方面的研究基础,本项目通过将高纯的单壁纳米碳管均匀分散到纳米WC-Co-VC-Cr2C3复合粉末中,经放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)制备出单壁纳米碳管增强纳米WC-Co硬质合金块体材料,重点研究单壁纳米碳管增强纳米WC-Co硬质合金的放电等离子烧结动力学机理,单壁纳米碳管抑制纳米WC晶粒长大的机理,以及单壁纳米碳管对纳米WC-Co硬质合金的强韧化机理。本项目的研究将为促进纳米硬质合金在高新技术产业中的应用提供科学的指导依据,并将进一步丰富和发展纳米材料的烧结制备科学理论。
碳纳米管具有独特的一维管状结构和优异的力学性能,本项目将碳纳米管引入纳米WC/Co硬质合金基体,采用放电等离子体烧结(SPS)工艺合成了纳米WC/Co基碳纳米管复合材料,研究了碳纳米管在SPS中的稳定性、碳纳米管在基体上的分散、复合材料的SPS合成与烧结动力学、显微组织与界面结构、力学性能及强韧化机理。发现了碳纳米管在SPS中部分转变为金刚石,研究了碳纳米管在纳米WC/Co粉末中的分散工艺,纳米WC/Co/CNTs复合材料的显微组织与界面结构,表明SPS烧结后碳纳米管依然保存在合金组织中,纳米WC/6Co/0.5CNTs(wt%)复合材料的 WC晶粒尺寸可细化到150 nm,碳纳米管与基体直接结合,部分碳管已经进入WC内部并与WC晶粒键合形成共格结构。纳米WC/6Co/0.5CNTs复合材料硬度达25.6 GPa,断裂韧性达14.5 MPam1/2,抗弯强度达3560 MPa,分别提高了约20%,50%和36%。强韧化机理主要有细晶强化,裂纹弯曲与偏转,裂纹裂纹分支,拔出与桥联及残余增韧等等几种机制同时存在复合作用。本研究为高性能硬质合金的开发与应用奠定了基础。