碳纳米管增强镁基复合材料的力学性能研究

摘要

本文全面综述了国内外镁基复合材料的研究进展，研究了碳纳米管增强镁基复合材料的制备、力学性能及强化机理等问题。主要研究结果如下：
　　 为了改善碳纳米管与镁基体之间的相容性，本实验对碳纳米管进行了表面镀镍处理。以镀覆镍层的碳纳米管及强度好且易于在熔体中分散的SiC颗粒作为增强相，以纯Mg及AZ9D作为基体。采用全液态搅拌铸造法制备了四种复合材料CNTs/Mg、CNTs/SiCp/Mg、CNTs/AZ91D、CNTs/SiCp/AZ91D，并分析了关键工艺的参数对材料力学性能的影响，确定了制备镁基复合材料的最佳工艺参数。
　　 本实验对四种复合材料的弹性模量、硬度、抗拉强度及延伸率进行了测试，研究了各种性能指标随增强相含量的变化情况。结果表明，对于复合材料CNTs/Mg、CNTs/2vo1％SiCp/Mg：当CNTs体积分数为1.1％时，复合材料的弹性模量、硬度和抗拉强度分别比基体材料提高了28.4％和51.8％、10.2％和19.5％、67％和80％：CNTs/Mg的延伸率比基体提高了60.6％，而CNTs/2vo1％SiCp/Mg的延展率比基体略有降低。对复合材料CNTs/AZ91D、CNTs/3.0vo1％SiCp/AZ91D：当CNTs体积分数为1.0％时，复合材料的弹性模量、硬度、抗拉强度和延伸率分别比基体材料提高了23.8％和29.8％、7.8％和9.3％、39.4％和46.76％、34％和14.6％。但是对Mg和AZ91D为基体的复合材料，CNTs的体积分数分别不能超过1.1％和1.0％，否则，复合材料的抗拉强度和延伸率会因CNTs难以分散而大幅下降，同时使硬度和弹性模量的增幅也逐渐减小。增强相CNTs和SiCp可明显细化晶粒组织。镀镍CNTs、Sip与Mg基体之间存在界面反应，分别生成界面相Mg2Ni和Mg2Si，界面反应量较小。
　　 最后，本文利用应力转移、位错、热残余应力及晶粒细化的屈服强度增量的计算公式，估算了各种强化机理引起复合材料屈服强度的大小。其中应力转移强化对镁基复合材料的增强效果最大，其次是位错强化、晶粒细化强化，影响最小的是残余热应力强化。在CNTs体积分数小于1.1％时，计算结果与实验结果比较吻合。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1镁基复合材料的研究概况

1.2碳纳米管复合材料的研究概况

1.2.1一维纳米复合材料

1.2.2碳纳米管／金属复合材料

1.2.3碳纳米管／陶瓷复合材料

1.2.4碳纳米管／聚合物复合材料

1.3影响镁基复合材料力学性能的主要因素

1.3.1增强相对镁基复合材料力学性能的影响

1.3.2基体对复合材料力学性能的影响

1.3.3制备工艺对复合材料力学性能的影响

1.3.4界面对复合材料力学性能的影响

1.4碳纳米管增强镁基复合材料存在的主要问题

第2章镁基复合材料的制备

2.1常用制备工艺优缺点的分析

2.2碳纳米管增强镁基复合材料的制备

2.2.1实验原料和表征仪器

2.2.2镁基复合材料的制备过程

2.3关键工艺参数的确定

2.4本章小结

第3章镁基复合材料的组织与力学性能分析

3.1复合材料CNTs／Mg的组织与力学性能分析

3.1.1复合材料CNTs／Mg的组织分析

3.1.2复合材料CNTs／Mg的力学性能

3.2复合材料CNTs／SiCp/Mg的组织与力学性能分析

3.2.1复合材料的组织分析

3.2.2增强相对复合材料抗拉强度的影响

3.2.3增强相对复合材料弹性模量的影响

3.2.4增强相对复合材料延伸率的影响

3.2.5增强相对复合材料硬度的影响

3.3 CNTs／AZ91D和CNTs／SiCp／AZ91D的组织与力学性能分析

3.3.1复合材料的组织分析

3.3.2 CNTs含量对复合材料弹性模量的影响

3.3.3 CNTs含量对复合材料布氏硬度的影响

3.3.4 CNTs含量对复合材料抗拉强度的影响

3.3.5 CNTs含量对复合材料延伸率的影响

3.4本章小结

第4章镁基复合材料的强化机理

4.1主要模型适应范围的比较分析

4.2镁基复合材料的四种主要强化机制

4.2.1应力转移强化

4.2.2位错与热残余应力强化

4.2.3晶粒细化强化

4.3四种强化机制对材料性能的综合影响

4.4本章小结

结论与展望

参考文献

致 谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文