原位合成(CNTs-Al)多尺度增强Zn基复合材料的界面调控与强韧化机理

Zinc matrix composites have attracted great attentions because of their excellent mechanical strength and biocompatibility, but the poor plasticity and toughness limited their wide application. The shortcomings of CNTs including lack of bonding strength and easy agglomeration hamper the development of zinc matrix composites reinforced by CNTs. In this project, the zinc matrix composites which contain multi-layer interface of CNTs/Al and Al/Zn will be fabricated by in-situ chemical vapor deposition synthesis of (CNTs–Al) and powder metallurgy. Based on thermodynamics and kinetics laws, the formation mechanism for the multi-layer interface will be investigated. The structure of interface zone and interface strength of the composites will be multiple-scale characterized, and the mechanism of interface feature for the interface strength will be obtained. The shear lag model will be set up to study the effects of constituent property parameters on stress transfer and stress distribution. Combined with the tensile fracture, the effects of multi-layer interface structure on the crack initiation and propagation will be illuminated, as to establish the relationships between the macro-mechanical properties, micro-structure and the properties of its ingredients. It can offer technical support to prepare (CNTs–Al) reinforced zinc matrix composites. These results will enrich the theory of controllable multi-layer interface and strengthening-toughening mechanism of zinc matrix composites.

碳纳米管（CNTs）增强Zn基复合材料因具有优异的机械强度和生物相容性而受到关注，但塑韧性差限制其广泛应用和发展，CNTs分散不均以及与Zn基界面润湿性差是主要原因。本项目采用化学气相沉积法原位合成(CNTs-Al)多尺度增强体，再通过粉末冶金法制备具有CNTs/Al、Al/Zn多层界面结构的(CNTs-Al)增强Zn基复合材料，解决CNTs的均匀分散和界面结合问题；结合热力学和动力学分析，阐明多层界面结构的形成机制，并通过分析多层界面的结构特征和结合强度，明确界面结构与界面结合强度的内在联系；利用剪切滞后模型研究组分性能参数对应力分布和应力传递效率的影响，阐明界面结构在裂纹萌生和扩展过程中的作用规律，揭示(CNTs-Al)增强Zn基复合材料的强韧化机理。项目的实施可为制备高性能Zn基复合材料提供技术支撑，项目的研究成果对于丰富多层界面控制理论和Zn基复合材料的强韧化机理具有重要学术价值。

本项目以Ni为催化剂，利用化学气相沉积法在Al粉上原位合成了(CNTs-Al)混合增强体，通过短时球磨将(CNTs-Al)混合增强体与Zn粉混合，采用真空烧结法制备(CNTs-Al)/Zn复合材料，并对复合材料进行了组织性能分析，以此优化制备工艺参数，探讨其强韧化机制。.研究内容主要包括：(1)利用化学气相沉积法原位合成了(CNTs-Al)混合增强体，研究了催化剂含量、反应基底粒度、反应温度、反应时间、反应气氛等参数对CNTs产率和形貌的影响。(2)利用粉末冶金法制备了(CNTs-Al)/Zn基复合材料，研究球磨时间、球磨转速、成型压力和烧结工艺等对CNTs分散性、复合材料密度和硬度等性能的影响。(3)在此基础上，进一步探究了CNTs含量对复合材料组织和性能的影响，并探讨Zn基复合材料中CNTs的强化机制。.结果表明：CNTs产率随着催化剂中Ni含量的上升而增加，当催化剂中Ni含量为20wt%时，CNTs产率达到最大值，继续增大Ni含量，CNTs产率反而减少；反应基底粒度在一定程度上影响CNTs产率，粒度越小，产率越高；反应温度在580℃~630℃时产率较高；CNTs的产率随反应时间的增加而增大，当反应时间为60min时，CNTs产率大幅提高；不同碳源气体对CNTs产率影响很大，C2H2作碳源气体时，CNTs的产率最高；通入载气与碳源气体的比例不同也影响CNTs的产率，在N2与CH4的比例为8:1时，沉积的CNTs最多；载气种类不同也会影响CNTs产率，用N2作载气时，CNTs产率最高。在300rpm转速下球磨120min后，(CNTs-Al)/Zn复合粉末粒径分布均匀，CNTs分散良好；在压制过程中发现，坯料的密度随压制压力和保压时间的提高而增大。在580℃下烧结6h且CNTs含量为2.0wt%时，复合材料的综合力学性能最佳，这是由于烧结温度过低时，烧结进程缓慢，材料孔隙较多，烧结温度过高导致晶粒粗大且孔隙较大；烧结时间过短则烧结不完全，烧结时间过长，晶粒过分粗大。探讨了CNTs在复合材料中的强化机制，CNTs在复合材料变形时承担了由界面传递而来的载荷，此外，CNTs对基体的强化机制还包括位错强化和沉淀析出强化的协同作用。