碳纳米管/铝基层状仿生复合材料的制备研究

层状复合结构是自然界长期进化而优选的强韧化解决方案，其中贝壳珍珠层仿生制备是高强超韧材料的开发重点。本项目旨在探索制备具有珍珠层结构的碳纳米管铝基（CNTs/Al）层状仿生复合材料，拟基于片状Al粉的自堆砌形成叠层结构，基于表面包覆聚合物薄膜 (含催化剂前驱体)的催化热解原位生成CNTs，预期以靠近Al片表面的CNTs影响区为硬层，以Al片的中心区为软层，从而发挥软硬交替的"结构强韧化"机制，以及CNTs承载、弥散强化、细晶强化等多种机制，获得优异的力学性能。拟基于细观力学分析，阐明CNTs/Al 层状仿生复合的技术原理，揭示微观结构及特征尺度与宏观力学性能之间的关系，构建拓扑结构模型和力学本构方程，最终为CNTs/Al的实用化提供理论依据和技术支撑。

启迪于自然界贝壳珍珠层完美的强、韧性能匹配，本项目将其 “砖砌式”纳米叠层复合构型引入到金属材料体系中，提出了创新性的“片状粉末冶金”仿生制备技术路线，以表面均匀复合碳纳米管（CNTs）的纳米铝片为模块，自组装堆砌形成纳米叠层结构，通过发挥纳米尺度与复合构型的双重效益，最终获得了既强且韧的碳纳米管增强铝基（CNTs/Al）复合材料。在探明材料配方、制备工艺、微观结构与CNTs/Al力学性能相互关系的基础上，重点研究了复合构型对CNTs增强效率、基体织构及位错容限的影响规律，揭示了CNTs/Al仿生复合材料的“结构强韧化”机制。本项目得到了如下主要结论：（1）通过调控铝粉的初始粒径和球磨时间，并结合XRD（200）峰的强度演可以制备出不同径厚比的微纳米片状铝粉。纳米片状铝粉的尺度和形态与CNTs更加相容，有利于诱导CNTs在其表面吸附，进而提高CNTs的均匀复合能力。（2）采用料浆共混工艺实现CNTs均匀复合。铝粉经PVA表面改性后，可通过氢键作用将CNTs锚定到铝粉表面，防止CNTs由于密度差与粉分离，抑制在干燥阶段CNTs的重新团聚，从而实现了CNTs在Al铝表面的均匀组装。（3）采用冷压结合真空热压、挤压将微纳米片状CNTs/Al复合模块组装，通过调控复合模块的径厚比、烧结和挤压温度及CNTs含量，获得了致密且高度有序的仿生叠层CNTs/Al复合材料。（4）在纳米叠层仿生复合构型中，CNTs取向和强化效果更佳，有效抑制了{001}<100>再结晶织构形成，从而在最终材料中保留了{211}<111>变形织构；此外，CNTs有效地促进铝基体位错增殖和加工硬化，使CNTs/Al复合材料强度明显提高的同时也具有良好的塑性变形能力。总之，CNTs/Al纳米叠层仿生复合材料的拉伸性能明显优于传统技术制备的同质均匀材料，实现了强韧性的同步改善，验证了仿生叠层复合构型的结构效益与显著优势。因此，本项目所提出的“结构强韧化”机制，及“片状粉末冶金”技术路线，为设计制备强韧性能匹配的高性能金属基复合材料提供了新原理和技术支撑。