SiCp原位自生CNTs增强铝基复合材料的制备与性能研究

Conventional metal matrix composites(MMCs) reinforced with ceramic particulates exhibit a sharp decline in ductility and toughness as strength and modulus increased, and therefore greatly limits its application. In order to solve the above problems, a new type of MMCs has been presented in this research proposal. Firstly, Nano/micrometer hybrid reinforcements are prepared by chemical vapor deposition of carbon nanotubes (CNTs) on the surface of micro-SiC particles, then hybrid reinforcements and aluminum powders are mixed to obtain a new type of MMC-SiCp(CNTs)/Al.Finally, optimizing process parameters acquires high-performance composites with compact structure, controllable distribution of reinforcement and good interface combination. By characterizing microstructure and properties of the composite and analyzing deformation and fracture behavior of the composite, we investigate the effect of SiCp(CNTs) on crack initiation and propagation, energy dissipation and micro-mechanical properties of interface, as well as synergy, coupling and multi-function response mechanism between SiCp and CNTs. These results will reveal the principles of strengthening and toughening about the new type of MMCs. In this research propsal,a new technological prototype of SiCp(CNTs)/Al will be established, which provides theoretical basis and practical approach for designing and fabircating new types of high performance aluminum matrix composites.

传统金属基复合材料的强度和弹性模量提高的同时，塑性和韧性急剧下降，因此很大程度上限制了它的应用范围。为了满足高技术领域的需求，改善复合材料的塑韧性，本项目探索一种新型的金属基复合材料，拟通过微米SiC颗粒表面原位自生CNTs，形成一种新型SiCp(CNTs)复合增强体，赋予复合材料新的力学与功能特性。采用原位自生工艺，在SiC颗粒表面获得尺寸、形态和分布均可控的CNTs，并制备出增强相分布可控、界面结合良好、组织致密的SiCp(CNTs)/Al复合材料。通过对微观结构和性能的表征，及形变与断裂行为的分析，研究SiCp(CNTs)复合增强体对裂纹的萌生与扩展、能量耗散、近界面微区力学性能的影响规律，以及复合增强体之间的协同、耦合和多功能响应机理，揭示新型复合材料的强韧化机制；构筑SiCp(CNTs)/Al复合材料的制备技术原型，为新型高性能铝基复合材料的设计和制备提供理论依据和实用途径。

SiCp/Al复合材料具备的高比强度、高比模量以及结构功能一体化等特性，使其在航空航天、武器装备及交通运输等领域具有巨大的应用潜力。为了进一步提升该复合材料的性能，通常采用增加SiCp含量的方法，而这就使得材料强度和模量提升的同时，塑韧性急剧下降。而碳纳米管（CNT）等超高性能增强体的发现，为我们提供了提升材料性能的新思路。由此，本项目提出了SiCp表面原位自生CNT协同混杂增强铝基复合材料的制备技术路线，得出的主要研究结果如下：.1.在微米级SiCp表面包覆一层纳米Ni催化剂颗粒，并通过化学气相沉积（CVD）的方法，制备SiCp(CNT)微纳混杂增强体。.2.以7μm的SiCp为载体制备的混杂增强体SiCp(CNT)和10μm的纯Al粉末作为原材料，采用传统粉末冶金工艺制备出组织致密、增强体分布均匀的SiCp(CNT)/Al复合材料。并且，相同工艺下，SiCp(CNT)/Al复合材料较SiCp/CNT/Al复合材料而言，不仅在强度和模量上有了进一步的提高，还能获得更好的塑性，表明SiCp(CNT)原位混杂增强体充分发挥了两相协同混杂增强的效果。.3.SiCp(CNT)/Al复合材料中CNT含量为6wt.%时，混杂增强体保持良好的混杂结构，能在复合材料中分布均匀，与基体有良好的界面结合；制备的含有16wt.% SiCp和1wt.% CNT的 SiCp(CNT)/Al复合材料展现了最好的增强效果，模量、屈服强度和抗拉强度分别为96GPa、120MPa和201MPa，相对于基体分别提升了35%、52%和74%。.4.SiCp(CNT)/6061Al复合材料中，7μm的SiCp(CNT)增强6061Al复合材料的力学性能最佳，模量和抗拉强度分别为97GPa和428MPa，塑性也比单一SiCp增强时提高了10%。另外，CNT主要分布在SiCp与铝基体的界面处，位错强化和应变强化效果更明显，并且还还提高SiCp与铝基体的界面结合力，延缓界面开裂，阻碍裂纹扩展，改善塑性。.5.室温下， SiCp(CNT)/6061Al复合材料表现出最佳的阻尼性能；随温度升高，复合材料的阻尼明显提高；而且随频率的升高，材料表现出更好的阻尼性能。.综上，本项目制备的SiCp(CNT)增强铝基复合材料为改善颗粒增强铝基复合强塑性匹配问题，提供了很好的解决途径，进一步拓展了其应用范围。