论文部分内容阅读
CNT/Al复合材料具有高强度、高模量、低密度以及较优异的可机加工性，在航空航天、车辆运输等领域具有广阔的应用前景。然而，碳纳米管增强金属基复合材料的制备技术成为制约其广泛应用的瓶颈。另外，其独特的微观组织对性能的影响规律尚不明确，导致构件性能难于调控。 本文采用高能球磨法制备了CNT/2024Al复合材料，对CNT分散均匀性、长度、结构损伤和CNT-Al界面反应以及复合材料拉伸性能等进行了系统的研究。研究发现球磨转速为400 rpm时，随高能球磨时间增加，CNT长度变短，损伤加剧，但分散均匀性逐渐改善。经过6h高能球磨后，CNT完全分散到铝基体中，但CNT的长度损失较大，减至200 nm左右。此外，研究了热压温度对CNT/2024Al复合材料界面反应与致密度的影响。当热压温度为753 K时，CNT-Al界面反应较弱，但复合材料致密化难度较大;热压温度升高至固相线温度以上时，少量液相的出现促进了致密化，但加剧了CNT-Al界面反应程度，反应产物Al4C3增多。最佳热压温度为773 K，材料致密且界面反应较弱，复合材料拉伸性能最佳。 采用上述优化的工艺参数制备了CNT/2024Al复合材料，其具有CNT分散均匀、沿变形方向定向排列、界面结合良好的特点。均匀分散的CNT显著细化了复合材料的晶粒，3 vol.％ CNT/2024Al复合材料平均晶粒尺寸仅200 nm左右。随CNT含量的增加，复合材料弹性模量和拉伸强度大幅提升。3 vol.％CNT/2024Al复合材料抗拉强度可达756MPa，弹性模量则达到87 GPa;但复合材料延伸率较低，仅有2％，这归因于较短的CNT和细小的晶粒。由于CNT在基体中的定向排列，CNT/2024Al复合材料拉伸性能表现出各向异性，沿CNT排列方向复合材料强度最高。 针对直接高能球磨法导致CNT长度变短的问题，研发了一种高能球磨-溶剂辅助混合结合的方法，制备出CNT几乎不受损伤的CNT/Al-Cu复合材料。结果发现，CNT均匀分布且结构保持良好，平均长度约800nm。然而水相分散产生了较厚的Al2O3膜，减弱了CNT与Al的界面结合以及铝粉末之间的结合，导致复合材料力学性能没有明显提升，其强度随CNT含量的增加反而降低。通过向复合材料中添加Mg元素后，Mg元素破坏了界面的Al2O3膜，形成了良好的CNT-Al界面结合，复合材料屈服强度较基体提升了32％，其主要强化机制为载荷传递强化。由于CNT保持了较大长径比，载荷传递效率相对于其他制备方法高。 为了改善复合材料的强韧性，通过高能球磨与双模态晶粒结构设计制备了双模态CNT/2024Al复合材料，研究了粗晶条带尺寸与含量对复合材料性能的影响规律，并探讨了双模态结构韧化机制。研究结果表明，在超细晶结构的4 vol.％ CNT/2024Al中引入体积分数25％的不含CNT的粗晶条带后，所形成的双模态晶粒结构3 vol.％CNT/2024Al复合材料延伸率达到4.5％，抗拉强度为728 MPa，与超细晶结构复合材料相比，延伸率提高了2倍以上而抗拉强度仅损失约4％，体现出明显的强-塑性优势。双模态晶粒结构的增韧机制主要为粗晶条带提升了位错储存能力，以及粗晶条带引起的细晶区应力松弛。在引入相同含量的粗晶条带时，更细、更弥散的粗晶条带更有助于应力松弛，对复合材料的塑性提升更好。粗晶条带对塑性的改善并非伴随粗晶含量提高而线性提升，过少的粗晶条带对材料的塑性改善有限;过多的粗晶条带则伴随着细晶区更高的CNT含量从而表现出较低的塑性。 采用搅拌摩擦焊接实现了自然时效态CNT/2024Al复合材料的无缺陷焊接，研究了接头微观组织特征及其对性能的影响，并探索了焊接参数对接头组织性能的影响规律。结果表明，焊接过程中工具无明显磨损，接头表面质量良好;接头强度可达母材的87～91％。热影响区晶粒、CNT形态等特征均未发生变化，而焊核区晶粒长大、CNT变为随机取向有助于垂直于焊接方向的载荷传递;同时热影响区和焊核区均未观察到析出相，可能发生了固溶原子团簇溶解。焊核区CNT的取向变化导致了焊核区强度高于热影响区，因此所有焊接参数下的接头均断于热影响区。随焊接速度由100 mm/min增至800 mm/min，接头强度系数提高，当焊接速度为800 mm/min时接头强度系数达到91％。