如何优化碳纳米管增强镁基复合材料的制备过程？

本书首先制备了碳纳米管孕育块，再采用碳纳米管孕育块铸造法制备了碳纳米管增强镁基复合材料；利用ECAP变形工艺对碳纳米管增强镁基复合材料进行了深度塑性变形；对不同状态下的碳纳米管增强镁基复合材料在3.5wt％ NaCl腐蚀介质中进行了静态浸渍实验和电化学腐蚀性能测试。采用金相显微镜分析以及室温拉伸力学性能测试，研究了碳纳米管的加入量对碳纳米管增强镁基复合材料的显微组织和力学性能的影响，ECAP变形工艺对碳纳米管增强镁基复合材料的晶粒细化及力学性能的影响规律；利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）从不同尺度分析了不同状态的碳纳米管增强镁基复合材料中增强相与基体间的界面结合、拉伸断口形貌以及腐蚀表面形貌。探讨了碳纳米管对镁合金基体的增强机理，ECAP变形过程中碳纳米管增强镁基复合材料的晶粒细化机制，以及碳纳米管对复合材料的抗腐蚀性能机理。采用X射线衍射技术分析了ECAP变形过程中碳纳米管增强镁基复合材料的织构演变，讨论了织构演变对复合材料的力学性能影响。得出以下主要结论：

1）在制备碳纳米管孕育块的过程中，分散球磨处理时间与碳纳米管的加入量是影响孕育块中碳纳米管分散性的重要因素。随着分散球磨处理时间越长，孕育块中的碳纳米管分散性越好；随着碳纳米管的加入量越多，分散越困难，团聚越明显。当碳纳米管加入量x=1.0，分散低速球磨处理时间t=16h后，碳纳米管嵌入到Al粉中，并且不会与Al粉和Zn粉发生反应而受损耗，压制成孕育块后碳纳米管与Al、Zn等粉末界面结合紧密且分散均匀。

2）采用碳纳米管孕育块铸造法能将碳纳米管有效地加入到镁合金基体中且分散良好。碳纳米管在孕育块制备工艺与熔炼工艺中，都不与Al、Zn等金属发生界面反应，并且孕育块中碳纳米管的分散程度也直接影响到复合材料中的分散性。复合材料中大部分碳纳米管分布在晶界处的离异共晶β-Al₁₂Mg₁₇相和二次β-Al₁₂Mg₁₇相中，不仅起到细化晶粒作用，还对晶界和晶粒之间起相互搭接和强化作用。但是复合材料中碳纳米管加入量过多，容易在晶界处形成团聚，这将影响复合增强效果。

3）铸态碳纳米管增强镁基复合材料室温力学性能基本上随着碳纳米管加入量的增大而提高。当碳纳米管加入量为1.0wt％时，碳纳米管增强镁基复合材料铸态试样的抗拉强度、延伸率和显微硬度同时出现峰值，使复合材料获得高强度时还能获得更高的延伸率。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，导致复合材料的力学性能降低。而复合材料的弹性模量随着碳纳米管含量的增加也得到明显提高，当碳纳米管加入量达到1.5wt％时，复合材料的弹性模量达到68.32GPa，比AZ31合金提高近56.45％。

4）铸态条件下，碳纳米管的加入使碳纳米管增强镁基复合材料的断裂韧性得到加强、力学性能得到提高，其断口形貌转向准解理断裂，表现出韧性断裂的特征。复合材料中碳纳米管呈网状分布于AZ31基体组织中，在复合材料拉伸变形时承载了较大的变形抗力，导致碳纳米管的一端从基体中抽出，而另一端仍镶嵌于基体中，表现出很好的分散性和良好的界面结合效果，但当复合材料中碳纳米管加入量过多，则极易形成团聚，从而降低复合材料的综合力学性能。(www.xing528.com)

5）碳纳米管增强镁基复合材料经ECAP变形后，复合材料晶粒组织明显细化。在230℃采用模角为90°的模具按B_C变形路径ECAP变形4道次后可以得到均匀、细小、平均晶粒尺寸达到约2μm的超细晶复合材料。由于晶粒细小且形成大量的大角度晶界，在室温拉伸时发生晶界滑移现象，由于晶界的滑移，使得复合材料变形抗力降低，从而出现ECAP变形后复合材料延伸率随着晶粒的细化而提高，但复合材料的抗拉强度随晶粒的细化而有所降低的反Hall-Petch关系现象。

6）经ECAP变形后的碳纳米管增强镁基复合材料的室温力学性能受复合材料中碳纳米管的分散程度、晶粒组织大小、织构分布和晶界结构等因素的综合影响。随着ECAP变形的进行，在纯剪切应力的作用下复合材料中碳纳米管的分布越来越分散均匀，晶粒组织明显细化，织构分布进一步优化，复合材料的延伸率明显得到提高。

7）AZ31镁合金中由于碳纳米管的加入能明显提高材料的抗腐蚀性能。铸态碳纳米管增强镁基复合材料中，当碳纳米管含量为1.5wt％时，在3.5wt％NaCl腐蚀介质中浸泡24h的平均腐蚀速率由AZ31镁合金的3.2068mg/m²·s降为1.1069mg/m²·s。分散于复合材料中的碳纳米管能起到阻碍复合材料的表面氧化层产生裂缝和加固氧化层的作用；同时，碳纳米管在镁合金中与基体间界面结合紧密也阻碍复合材料的表面氧化层与基体脱落，从而延缓了复合材料的进一步氧化，提高其抗腐蚀性能。此外，铸态碳纳米管增强镁基复合材料随着碳纳米管含量的提高，复合材料晶粒更为细小，细晶粒的微观组织结构存在较多的晶界，而晶界处的碳纳米管和β相（Mg₁₇Al₁₂）的分布又较高，起到了阻碍腐蚀发展的作用。

8）经ECAP变形后的碳纳米管增强镁基复合材料的抗腐蚀性能比铸态复合材料得到更明显的提高，除晶粒细化之处，随着ECAP变形道次的增加，复合材料中碳纳米管增强相的均匀分散程度的提高是主要原因。经ECAP变形4道次后，在3.5wt％ NaCl腐蚀介质中浸泡24h的复合材料平均腐蚀速率由挤压态的0.6035mg/m²·s降为0.2963mg/m²·s。