納米碳材料增強(qiáng)AZ91鎂基復(fù)合材料制備與性能研究.pdf

1、碳納米管、石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能(高強(qiáng)度和高模量)，是鎂基復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體。如何改善碳納米管、石墨烯在鎂基體中的分散性和提高界面結(jié)合強(qiáng)度，是制備高性能納米碳/鎂基復(fù)合材料的關(guān)鍵。本文采用粉末冶金+熱擠壓工藝+T4固溶處理分別制備了CNTs，MgO@CNTs(包覆MgO碳納米管)、GNPs(石墨烯納米片)和RGO(還原石墨烯)增強(qiáng)的AZ91鎂基復(fù)合材料，研究了碳納米管表面包覆MgO工藝，納米碳材料(CNTs，MgO@CNTs，GNP

2、s和GO)含量對AZ91合金的組織和力學(xué)性能的影響。主要內(nèi)容總結(jié)如下：
　　(1)化學(xué)共沉積法可在CNTs表面包覆一層納米MgO顆粒，且MgO存在有兩種形貌，即單晶MgO和多晶MgO。純化處理工藝在CNTs表面引入的羧基官能團(tuán)和管壁破損、孔洞等缺陷有利于 MgO納米顆粒的形核與生長。MgO納米顆粒與CNTs形成了強(qiáng)界面結(jié)合，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。
　　(2)液態(tài)分散法+粉末冶金工藝可將四種納米碳材料分散到鎂基體，其中GO在鎂基體中

3、的分散性最好，其次是GNPs，再次是MgO@CNTs，分散最差的CNTs。
　　(3)四種納米碳材料均可細(xì)化鎂基體的晶粒組織，其加入量對復(fù)合材料平均晶粒尺寸的影響規(guī)律都一致：隨著增強(qiáng)相含量的增加，復(fù)合材料平均晶粒尺寸先減小后又增大。對比發(fā)現(xiàn)，四種納米碳材料細(xì)化鎂基體晶粒組織的差距并不十分明顯，但GO要略高于其它三種納米碳材料。
　　(4)CNTs經(jīng)表面包覆MgO改性后有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，其原因是通過“MgO”納米顆

4、粒的橋接，CNTs與鎂基體形成了強(qiáng)界面結(jié)合。同時(shí)，MgO@CNTs具有更好的分散性。
　　(5)GNPs的加入可以提高鎂合金的力學(xué)性能，其原因是GNPs為二維平面狀結(jié)構(gòu)，與鎂基體的接觸面積更大，GNPs/α-Mg界面強(qiáng)度較高。
　　(6)在鎂基體中加入GO可以有效提高鎂基體的力學(xué)性能。其原因是GO與鎂基體形成了均勻的分散，通過原位還原反應(yīng)(GO+Mg→RGO+MgO)，使石墨烯在鎂基體中的分散性得到大幅度提高。同時(shí)，生成的界

5、面產(chǎn)物MgO有效地提高了RGO與α-Mg基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。
　　(7)對四種復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)：AZ91-CNTs復(fù)合材料中，CNTs與α-Mg則形成了非共格界面結(jié)合。AZ91-MgO@CNTs復(fù)合材料中，CNTs與MgO形成了“納米級接觸界面”(Nanoscale-contact bonds)和“擴(kuò)散結(jié)合界面”(Diffused interfacial bonds)兩種強(qiáng)界面結(jié)合。MgO/α-Mg界面存在如下晶體取向

6、關(guān)系：(111)MgO//(0111)α-Mg和[011]MgO//[2110]α-Mg，其原子錯(cuò)配度為6.5％，為半共格界面結(jié)合，是一種強(qiáng)結(jié)合界面。AZ91-GNPs復(fù)合材料中，二維平面狀GNPs因與鎂基體的接觸面積更大，使GNPs/α-Mg的界面強(qiáng)度較高。AZ91-RGO復(fù)合材料中，通過化學(xué)鍵的橋接，MgO與RGO形成了強(qiáng)界面結(jié)合。與此同時(shí)，在MgO/α-Mg界面上沿著[011]MgO或[2423]α-Mg方向，(200)MgO//

7、(1102)α-Mg，其晶格錯(cuò)配度約為8.6%，為半共格界面結(jié)合，MgO與α-Mg基體形成了強(qiáng)界面結(jié)合。界面反應(yīng)生成的MgO有效提高了RGO與鎂基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。
　　(8)四種納米碳材料加入量對復(fù)合材料屈服強(qiáng)化和延伸率的影響規(guī)律一致，即隨著納米碳材料含量的增加，復(fù)合材料力學(xué)性能出現(xiàn)先增大后又減小的變化趨勢。對比發(fā)現(xiàn)，采用GO為起始增強(qiáng)相制備的AZ91-RGO復(fù)合材料在強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度)、塑性和顯微硬度提升方面具有絕對性