复合材料点焊电极中CNTs可控排布及基础研究

When the traditional resistance spot-welding electrodes welds galvanized steel sheets for lightweight body, they require high performance of mechanical properties, conductive conductivity, and thermal conductivity. We propose a new idea of preparing CNTs/Cu composite electrodes by straightening and orienting CNTs, so as to give full play to the excellent performance of CNTs and improve the performance of electrodes. The composite effect of materials is suppressed by the three key scientific problems, so the basic science research of the whole process will be carried out. The mechanism of the coordination and interaction of CNTs/Cu matrix on the three-dimensional arrangement of CNTs will be elucidated. The effect of the content, arrangement of CNTs, the interface, the organization of Cu matrix on welding performance under the synergistic effect of the electro-thermal-force field during the spot welding cycle will be investigated. The correlation of the electrode manufacturing-organization-interface-CNTs arrangement-spot welding performance will be established. The practical bottleneck of CNTs/metal matrix composites will be broken. The scientific theory about the controllable arrangement of reinforced phase in composites will be expanded. The innovative technologies for high-performance spot-welding electrodes will be provided.

针对电阻点焊镀锌钢板时电极焊接性能差的关键技术难题，以电极力学性能、导电导热性及耐磨性等高性能需求为导向，提出通过受迫成形使CNTs伸直并定向排布，制备CNTs/铜复合材料点焊电极的设想，以充分发挥CNTs优异性能，改善电极点焊性能。围绕CNTs空间排布、界面、点焊条件下电场、热场、力场与点焊性能的耦合响应机制等制约材料复合效应发挥的关键科学问题，开展全流程科学基础研究。计算模拟与实验研究相结合，阐明CNTs/Cu基体协调变形与交互作用对CNTs空间排布的作用机制；掌握电-热-力多场协同作用下CNTs含量、空间排布、界面、基体组织结构的演化对电极点焊性能与失效的作用机制；在电极制造-组织-界面-CNTs排布-点焊性能及寿命间建立有效关联。突破现有CNTs增强金属基复合材料的实用化瓶颈，拓展复合材料增强相可控排布的科学理论，为高性能点焊电极研发提供自主创新型关键技术基础。

针对电阻点焊镀锌钢板时电极焊接性能差的关键技术难题，围绕CNTs空间排布、界面、复合材料的力学/物理性能与点焊性能的耦合响应机制等制约材料复合效应发挥的关键科学问题，开展了取向多壁碳纳米管（MWCNTs）增强Cu基复合材料点焊电极研发、制备及服役的全流程科学基础研究。通过化学镀工艺在MWCNTs表面分别沉积了Ni、Cu、Ni&Cu涂层作为界面过渡层，采用充鼓氮气辅助机械搅拌混粉、烧结、热挤压、冷拉拔与冷反挤压的优化工艺组合制备了MWCNTs/Cu复合材料电极，以及MWCNTs含量分别为0.5vol.%、1vol.%、3vol.%、5vol.%、7vol.%和10vol.%的复合材料样品。通过分析对比复合材料的微观结构、致密度、正交各向异性力学性能、传导性能及摩擦学性能之间的关系讨论了相关机制（CNTs在Cu基体中空间排布的形成机理、CNTs含量、空间排布、界面、基体组织结构的演化对复合材料力学/物理性能的作用机制、复合材料电极的失效机理等），在制造工艺-组织-界面-CNTs排布-点焊性能及寿命间建立有效关联。结果表明，MWCNTs在复合材料中保持直、长、均匀分散和高度取向排布，使MWCNTs良好的轴向传导性能、力学性能得以发挥，并表现出正交各向异性，平行拉拔方向的性能远优于垂直拉拔方向。化学镀层改善了界面承载能力与界面结合。3vol.% MWCNTs的强化效率最高。获得了综合性能具佳的MWCNTs/Cu复合材料。MWCNTs对基体的强化效率、力学性能、传导性能及摩擦学性能均优于其它文献报道的数据。制备的复合材料电极在电阻点焊镀锌钢板时，焊接性能出色稳定，电极使用寿命达4000点，比常规电极的寿命提升了6倍。研究为CNTs增强金属基复合材料的设计与可控制备提供了实验数据与工艺保障，拓展了复合材料增强相可控排布的科学理论，为高性能点焊电极研发提供了关键技术基础。