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钛基复合材料(TMCs)具有比强度高、比刚度高、高温性能好等优点,能够满足航空航天等领域对于工程结构部件的轻量化与高强度的双重要求,然而传统的TMCs存在强度-韧性(塑性)倒置问题,极大地限制了其实际应用。针对此瓶颈问题,本文开发出新型CNTs/Ti微纳米叠层复合材料,并通过优化制备参数,成功地解决了CNTs在Ti基体中的均匀分散及CNTs与Ti的界面控制等关键问题。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电子背散射衍射技术(EBSD)研究了CNTs/Ti微纳米叠层复合材料的微观组织及CNTs/Ti的界面特征;并评价了CNTs/Ti微纳米叠层复合材料的力学性能;同时利用原位拉伸结合数字图像关联技术(DIC)、SEM以及三维X射线显微镜(3D-XRM)表征了CNTs/Ti微纳米叠层复合材料的局域应变分布规律及其断裂行为,最终初步揭示了CNTs/Ti复合材料的断裂特性与强化机制。CNTs/Ti微纳米叠层复合材料的制备主要通过以下三步实现:(1)CNTs/Ti单元层构建:通过7h酸化处理结合8h超声分散可以有效分解CNTs的团聚,获得均匀分散的CNTs悬浊液,结合优化的电泳沉积(EPD)工艺(30V,15s/30s),制备CNTs均匀分散在Ti箔表面的CNTs/Ti单元层;(2)CNTs/Ti叠层材料SPS烧结:将若干层CNTs/Ti单元层进行叠层堆垛后进行放电等离子烧结(最佳工艺为520℃/50MPa/17min)获得CNTs/Ti叠层材料;(3)CNTs/Ti叠层材料控温轧制:再对CNTs/Ti叠层材料进行低温轧制(最佳工艺为520℃/15min/总变形量为90%)成功制备出CNTs/Ti微纳米叠层复合材料。组织研究表明:CNTs与Ti基体的界面反应被有效控制且形成良好的冶金结合界面,绝大多数CNTs得以完整保留且在Ti基体中呈明显的层状分布特征,即CNTs/Ti微纳米叠层复合材料是由纳米级CNTs层与微米级Ti层交替排列构成的,其中CNTs层间距为5-8μm且CNTs层中的CNTs基本呈现理想的单根分散状态,这非常有益于最大程度地发挥CNTs的超高强化效率。此外,极少量存在缺陷的CNTs如端部开口及侧壁解链区域会与Ti基体产生化学反应而生成弥散分布的纳米TiC颗粒。力学性能表明:当CNTs含量在0-0.08wt.%范围时,CNTs/Ti微纳米叠层的复合材料的强度随着CNTs的含量的增加而显著提高,其中在CNTs含量为0.08wt.%时,复合材料的屈服强度相比于纯Ti板的屈服强度(483MPa)提高27.5%达到616MPa,并且其延伸率仍保持在较高水平为17%,并且与目前发表的文献相比,CNTs/Ti微纳米叠层复合材料中单根分散且结构完整的CNTs具有最高的增强效率;进一步揭示了CNTs/Ti微纳米叠层复合材料的中的主要强化机制:细晶强化、载荷传递强化、热错配强化及层状结构引起的位错阻挡效应强化。利用X射线显微镜研究了孔洞及裂纹的萌生扩展规律,结果表明:CNTs/Ti复合材料的裂纹演变过程分为两个阶段;阶段I:裂纹萌生及均匀生长阶段,主要为材料均匀塑性变形过程,其裂纹总体积随宏观应变的提高呈线性增长;阶段II:裂纹非均匀快速增殖合失稳阶段,主要为材料的非均匀变形过程,其裂纹总体积随宏观应变的提高呈指数增长。CNTs/Ti微纳米叠层复合材料的断裂过程为:裂纹易在层间界面处产生并且逐渐沿层均匀扩展;宏观应变继续增大时,层间裂纹加速扩展,使材料逐渐出现局部颈缩现象;在材料继续变形时由于严重局部颈缩而产生横向裂纹而使材料发生局部断裂,材料中横向裂纹的产生和扩展合并使裂纹的完全贯穿造成了材料的最终失效断裂。