碳纳米管增强锌基复合材料的制备及其热变形行为研究

摘要

本文采用高能球磨(HEM)+真空烧结(P/M)法制备具有核壳结构特征的(CNTs–Al)/ZA27复合材料。首先采用球磨混粉法将CNTs包覆在Al粉内，形成(CNTs–Al)混合增强体，然后采用HEM–P/M法制备(CNTs–Al)/ZA27复合材料。通过对复合材料进行显微组织观察、力学性能检测以及热模拟试验，系统研究了制备工艺参数、CNTs含量、热变形工艺参数等对复合材料微观组织和力学性能的影响规律。
　　通过球磨混粉(200 rpm/1 h)+高能球磨(400 rpm/8 h)，成功制备出具有核壳结构特征的(CNTs–Al)/ZA27复合粉末，有效的实现了CNTs在基体粉末中的均匀分散；在压制压力为300 MPa时，压坯密度和烧结密度最大；采用真空烧结方法制备(CNTs–Al)/ZA27复合材料，通过微观组织分析表明，复合材料主要存在α-Al相、η-Zn相以及β-ZnAl相，未发现明显的Al4C3等碳化合物，表明CNTs与基体没有发生剧烈反应，保证了增强体与基体良好的结合性。同时，研究烧结工艺和CNTs含量对复合材料微观组织和力学性能的影响，当复合材料在480℃烧结温并保温时间2 h时，(CNTs–Al)/ZA27复合材料的致密度最大，抗拉性能最优。当CNTs含量为0.4 wt.％时，晶粒明显细化，抗拉强度及伸长率得到显著提升，复合材料的强化主要来自细晶强化，载荷传递强化，热失配引起的几何位错强化，以及CNTs阻碍位错运动产生的位错强化等。
　　在变形温度473–623 K和应变速率0.01–10 s-1内，对(CNTs–Al)/ZA27复合材料进行了热压缩模拟试验，研究了不同变形温度和应变速率对复合材料流变应力的影响规律。基于试验结果，建立了两种流变应力预测模型，即改进的Arrhenius本构模型和人工神经网络(ANN)模型，并对两种流变应力预测模型的预测精度进行了计算，其中改进的Arrhenius方程模型的相关误差范围和均方根误差分别为-15.93–17.29%和6.81 MPa，ANN模型的相关误差范围和均方根误差分别为-4.14–6.75%和1.57 MPa。相比于改进的Arrhenius模型，ANN模型的流变应力预测值与实验值的各项误差均较低，预测结果与试验数据吻合较好，表明利用ANN建立的流变应力模型，可较好地反映复合材料的热变形行为。基于动态材料模型，建立了(CNTs–Al)/ZA27复合材料的3D加工图，并结合显微组织观察，确定了(CNTs–Al)/ZA27复合材料的最佳热加工参数区为变形温度550–590 K，应变速率0.01–0.35 s-1，在此变形参数区，材料的软化机制主要为动态再结晶。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 锌基复合材料

1.3 碳纳米管的结构和性质

1.4 CNTs增强金属基复合材料

1.5 金属基复合材料的热变形行为

1.6 本文的研究内容

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 研究方案与工艺路线

2.3 复合材料的制备工艺

2.4 复合材料的力学测试

2.5 热模拟压缩试验

2.6 显微组织及相分析

第3章 HEM-P/M法制备(CNTs–Al)/ZA27复合材料的研究

3.1 引言

3.2 球磨工艺对复合材料的影响

3.3 压制压力对复合材料的影响

3.4 烧结温度对复合材料组织性能的影响

3.5 CNTs含量对复合材料组织性能的影响

3.6 本章小结

第4章 (CNTs–Al)/ZA27复合材料的热变形行为研究

4.1 引言

4.2 流变应力分析

4.3 本构模型

4.4 3D热加工图

4.5 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间参与项目及主要成果