碳纳米管加入量与复合材料抗拉强度的相关性分析

铸态条件下，碳纳米管的加入量对MWCNTs增强镁基复合材料抗拉强度的影响如图4.4所示。随着碳纳米管的加入，复合材料的抗拉强度相对于AZ31合金有显著提高，在碳纳米管加入量为1.0wt％时，达到峰值210.3MPa，相比AZ31合金（160.8MPa）提高了30.78％，但当碳纳米管加入量达到1.5wt％时，复合材料抗拉强度下降为190.6MPa，仍然高于AZ31合金。

图4.4 碳纳米管加入量对铸态复合材料抗拉强度的影响

复合材料抗拉强度的提高主要是复合材料的晶粒细化、增强相转移载荷能力、增强相对位错运动的阻碍作用三个因素综合的结果^[107]。采用碳纳米管孕育块铸造法制备的MWCNTs增强镁基复合材料能够使纳米尺寸级的碳纳米管增强相较均匀地分散在AZ31合金中。随着加入量的不断增加，与AZ31合金基体形成的界面区域也不断增多，不仅能提高形核率，而且阻止了初生α-Mg相的长大，从而使基体晶粒组织得到明显细化。由霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式可知，多晶体材料的强度与其晶粒尺寸大小有关，随着其晶粒细化程度的提高，多晶体材料的屈服强度提高。多晶体材料的屈服强度σ_s与晶粒平均直径d的关系可用式（4-1）表示

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式中，σ₀为反映晶内对变形的阻力；k为反映晶界对变形的影响系数。

复合材料中碳纳米管对AZ31合金的晶粒和晶界分别起到明显的细化和强化作用，并能阻碍晶界的滑移和位错运动，从而使MWCNTs增强镁基复合材料的抗拉强度相比于AZ31合金得到较大程度的提高。

在实验中使用经过表面包覆镍处理后的碳纳米管，其表面润湿性更好，在复合过程中更容易与AZ31合金基体形成强界面结合。因此，复合材料在拉伸变形过程中碳纳米管能较好地发挥载荷转移能力和阻碍晶界滑移的作用。碳纳米管具有良好的力学性能，多壁碳纳米管的抗拉强度为50～200GPa，约为钢的100倍，比碳纤维至少高了一个数量级，在强界面结合的基础上保证其具有较高的界面载荷转移能力，所以复合材料抗拉强度与基体材料相比得到显著提高。但是由于碳纳米管的比表面积大，表面效应强，使其极易形成团聚，从而导致碳纳米管加入量过多时容易在基体中形成团聚而导致其分布不均匀，使复合材料的抗拉强度有所降低。

综上分析可知，随着碳纳米管的加入，复合材料的抗拉强度明显提高，这一实验结果说明碳纳米管对镁基复合材料能起到较好的复合增强效果。复合材料抗拉强度的提高与晶粒的细化、碳纳米管增强相和碳纳米管在晶界处对晶粒的桥接作用有关，这也是金属基复合材料的主要增强机制。但是纳米材料具有较强的表面效应，碳纳米管的过量加入容易导致其大量团聚，形成微观空隙的生成源，从而影响复合效果，使复合材料的力学性能降低。