碳纳米管增强镁基复合材料的界面调控和强韧化机理研究

Poor ductility is considered as the application bottleneck of conventional magnesium matrix composites. This proposal plans to employ CNTs to reinforce magnesium alloys to exhibit the effects of CNTs interface, nano-size and unique shape. It is aimed to develop a novel type of magnesium matrix composites with good ductility as well as high strength and high stiffness. First, a new liquid fabrication method for the CNTs reinforced magnesium matrix composites will be studied, which combines CNTs pre-dispersion and high-energy ultrasonic. The CNTs dispersion mechanism of the method will be revealed. Second, the interface between Mg and CNTs will be adjusted by active elements. The thermodynamic rules for the interface formation will be studied. The effects of the interface on the mechanical properties of the composites will also be clarified. Then, the interface will be optimized in order to exert the interface effect of CNTs. At last, the effects of CNTs on microstructure and mechanical properties of Mg matrix will be studied in order to reveal the strengthening mechanisms of CNTs and then build the CNTs strengthening model for Mg matrix. The effects of CNTs nano-size and unique shape will also be emphasized by comparison method. And then, the component and microstructure of the composites will be optimized to realize the optimal synergy of ductility, strength and stiffness. The above researches will provide a theoretic guide and experimental basis for the design, fabrication and microstructure and properties of metal matrix composites reinforced by 1-D nano materials .

韧性差是限制镁基复合材料应用和发展的瓶颈问题。鉴于此，本项目采用高效的碳纳米管（CNTs）增强镁合金，发挥其作为一维材料特有的界面效应、尺寸效应和形状效应，研发一种韧性良好、兼具高强度和高刚度的新型镁基复合材料。首先，将CNTs预分散和高能超声波相结合，探索一种新型的液态制备技术，揭示CNTs分散规律及其机理。其次，采用活性元素对CNTs与基体界面进行调控，研究界面形成的热力学与动力学规律，探明界面结构对复合材料力学性能的影响规律及机制，对比优化界面结构，充分发挥CNTs的界面效应。最后，研究CNTs对镁合金基体组织和性能的影响规律，对比考察CNTs的尺寸效应和形状效应，揭示CNTs的强韧化机理，建立一维材料CNTs对镁合金基体的强韧化模型，进而优化复合材料的组分和显微组织，实现强度、刚度和韧性的最佳匹配。这将为一维纳米材料增强的金属基复合材料的设计和组织性能调控提供理论指导和实验依据

镁基复合材料是最轻的金属结构材料，在航空、航天等轻量化领域具有广泛的应用前景。但是，传统的镁基复合材料中塑性和韧性较差，极大地限制了镁基复合材料的应用。为此，本项目采用了碳纳米管（CNTs）作为增强体，利用其超高的力学性能和增强效率，开发了一种兼具良好的强度、刚度和塑性的新型镁基复合材料，突破了其关键制备技术，阐明了其强化机制，推动了镁基复合材料制备和设计理论的发展。详细汇报如下：. 首先，研发了预分散+高能超声波的新型液态制备技术，可实现CNTs和石墨烯等在镁基体中的良好分散。揭示了CNTs的预分散规律，阐明了CNTs预分散状态、半固态搅拌、超声波处理和凝固速度对复合材料中CNTs的分散的影响规律。预分散工艺有效地破碎了碳纳米的缠结，为后续在镁熔体中分散CNTs奠定了良好的基础。半固态搅拌主要起到CNTs在镁熔体中宏观分散的作用，高能超声波能够有效地分散CNTs的微观缠结。凝固阶段过程液固界面的推移作用导致CNTs偏聚于镁基体的晶界附近。. 其次，研究了热挤压和添加活性元素对复合材料的界面和拉伸力学性能的影响规律。热挤压有效地消除了CNTs的偏聚，改善了CNTs在镁基体中分布。高分辨TEM研究表明，即使相距几个纳米的CNTs之间区域中CNTs/镁之间的界面结合都十分良好充分证明热挤压有效的改善了界面结合。通过向基体镁合金添加活性元素Al，管壁已经没有规则的层次结构，形成了细小的界面反应产物，有效地改善了CNTs与基体的润湿性和界面结合，屈服强度和抗拉强度提高10%左右。. 最后，详细研究了复合材料的显微组织、力学性能和断裂行为，建立CNTs对镁基体的强化模型。与基体合金相比，1vol.%CNTs增强Mg-6Zn复合材料的屈服强度、抗拉强度和弹性模量分别提高33%、18%和30%，增强效率高达18.5，并且延伸率高达15%，实现了强度、刚度和韧性的良好匹配。其强化机制主要有载荷传递机制、细晶强化机制和Orowan机制，其增韧机制主要为CNTs的“拔出机制”和“桥联机制”。