超聲輔助攪拌鑄造制備CNTs-Mg-6Zn鎂基復(fù)合材料及其組織性能.pdf

1、本文探索了碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的超聲輔助攪拌鑄造法（預(yù)分散、半固態(tài)攪拌和超聲波）制備工藝，并對優(yōu)化工藝下制備的CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料進(jìn)行熱擠壓變形。系統(tǒng)地研究了制備工藝參數(shù)對CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料組織的影響規(guī)律。優(yōu)化了CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的熱擠壓工藝，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和拉曼光譜研究了復(fù)合材料顯微組織，并對擠壓態(tài)復(fù)合材料的織構(gòu)演變和力學(xué)性能開展了系統(tǒng)研究。揭示了CNTs/Mg-6

2、Zn復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)制，同時(shí)對復(fù)合材料的界面和斷口進(jìn)行了系統(tǒng)分析。
　　原始碳納米管團(tuán)聚非常嚴(yán)重，而半固態(tài)攪拌和超聲波無法將團(tuán)聚嚴(yán)重的碳納米管分散開，所以預(yù)分散是成功制備CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的必要前提。通過探索獲得最優(yōu)化的碳納米管預(yù)分散工藝：采用鎂屑作為分散碳納米管的載體，化學(xué)分散劑占碳納米管質(zhì)量的15％，超聲處理時(shí)間為3h。通過探索在不同攪拌工藝和不同超聲波處理時(shí)間下制備CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料，得到超聲輔助攪

3、拌鑄造法制備1.0vol.%CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的優(yōu)化工藝為半固態(tài)攪拌10min，超聲處理20min。隨著碳納米管體積分?jǐn)?shù)的增大，CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的晶粒不斷變小。1.0vol.%CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度最大。
　　熱擠壓能夠消除鑄態(tài)CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的碳納米管偏聚，改善碳納米管分布，擠壓溫度越高，擠壓比越大，碳納米管分布改善的效果就越明顯。碳納米管的加入使基體的晶粒尺寸得到顯著細(xì)化

4、，并沿?cái)D壓方向形成由小的DRX晶粒構(gòu)成的變形帶，變形帶附近的晶粒尺寸較小，遠(yuǎn)離變形帶區(qū)域的晶粒尺寸較大。這是因?yàn)樘技{米管可以在晶界上起到釘扎作用，阻礙晶粒長大。碳納米管體積分?jǐn)?shù)越大，DRX尺寸越??；擠壓溫度越高，DRX晶粒尺寸越大；擠壓比越高，DRX晶粒尺寸越大。經(jīng)熱擠壓后，CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的織構(gòu)與合金相同，即(0001)基面平行于擠壓方向。擠壓溫度越高，復(fù)合材料基面織構(gòu)強(qiáng)度越低；擠壓比越小，復(fù)合材料基面織構(gòu)強(qiáng)度越低；碳納

5、米管體積分?jǐn)?shù)越大，復(fù)合材料基面織構(gòu)強(qiáng)度越低。
　　原始碳納米管、預(yù)分散碳納米管、鑄態(tài)和擠壓態(tài)CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料中碳納米管的ID/IG值分別是0.90、0.91、0.97和1.02，變化不大，說明預(yù)分散過程、半固態(tài)攪拌、高能超聲和熱擠壓都沒有破壞碳納米管結(jié)構(gòu)的完整性。鑄態(tài)和擠壓態(tài) CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的界面研究發(fā)現(xiàn)碳納米管與基體之間界面結(jié)合良好，大部分界面比較干凈，沒有反應(yīng)產(chǎn)物存在，只有少數(shù)碳納米管附近存在納米

6、MgO。
　　經(jīng)過350R20工藝擠壓之后，1.0vol.% CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高，0.5vol.% CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的延伸率最大，1.5vol.%CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的彈性模量最大。碳納米管在CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料中的強(qiáng)化機(jī)制主要有載荷傳遞機(jī)制、細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制和Orowan機(jī)制等三種強(qiáng)化機(jī)制。碳納米管作為一維納米增強(qiáng)體具有獨(dú)特的尺寸形態(tài)特征，其增強(qiáng)機(jī)制也不同于傳統(tǒng)的增

7、強(qiáng)體。碳納米管“拔出機(jī)制”和“橋聯(lián)機(jī)制”是CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料中主要的增韌機(jī)制。利用Halpin-Tsai半經(jīng)驗(yàn)公式模型預(yù)測CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料的彈性模量時(shí)，理論值與實(shí)驗(yàn)值能很好地吻合?？估瓘?qiáng)度可以由著名的Kelly–Tyson公式計(jì)算，對計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)該公式能較好的預(yù)測復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。通過比較不同方法制備的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)效率，發(fā)現(xiàn)超聲輔助攪拌鑄造法所制備復(fù)合材料的增強(qiáng)效率最高，可以