CNTs/Mg仿生多层次结构的构建和强韧化机制研究

The natural hierarchical structure makes nacre realize the excellent combination of strength, stiffness and toughness. Thus, this proposal plans to employ carbon nanotubes (CNTs) as nano-layer to fabricate the nacre-like bioinspired hierarchical structure to solve the inverse relationship between strength/stiffness and ductility of Mg matrix composites. The bioinspired structure can improve the strength, stiffness and ductility of the composites at same time, and a novel type of Mg matrix composites with CNTs/Mg bioinspired hierarchical structure will be developed. Firstly, a novel fabrication method for the bioinspired hierarchical structure will be developed by combining the electrophoretic deposition and laminate fabrication processing. The evolution mechanism for the bioinspired hierarchical structure will be revealed during the fabrication. Secondly, the effects of the structure parameters on the microstructure and mechanical properties will be studied. The adjust rules for the bioinspired hierarchical structure will be discovered to optimize the combination of strength and toughness. Finally, the influence of the bioinspired hierarchical structure on the local strain distribution in the composites will be characterized by the in-situ tensile method to reveal its structure effect. The influence of the structure parameters on the deformation microstructure and fracture behavior of the composites will be studied through in-situ electron microscope technology. Then, the strengthening mechanism of the CNTs reinforced Mg matrix composited with the bioinspired hierarchical structure will be clarified. The above study will fill the research gaps of Mg matrix composites with the bioinspired hierarchical structure, and will also provide a theoretic guide and experimental basis for the design and fabrication of metal matrix composites.

天然的多层次结构使得贝壳实现了其强度、刚度和韧性的最佳匹配。本项目针对镁基复合材料强度/刚度和韧性倒置的问题，采用碳纳米管（CNTs）作为纳米层构建模仿贝壳的仿生多层次结构，利用其结构效应同时提高强度、刚度和韧性，开发一种具有CNTs/Mg仿生多层次结构的新型镁基复合材料。首先，将电泳沉积与叠层制备技术相结合，开发一种仿生多层级结构的新型构建技术，揭示仿生多层次结构的构建机理。其次，研究结构参数对显微组织和力学性能的影响规律，揭示仿生多层次结构的调控机理，优化强度和韧性的匹配。最后，原位拉伸研究结构参数对镁基复合材料中局域应变分布的影响规律，揭示其仿生多层次结构的结构效应；电镜原位研究结构参数对镁基复合材料形变微观结构和断裂行为的影响规律，揭示仿生多层次CNTs增强镁基复合材料的强韧化机制。上述研究将填补仿生多层次镁基复合材料的研究空白，将为金属基复合材料设计和制备提供理论指导及试验依据。

镁基复合材料是最轻的金属结构材料，在航空、航天等轻量化领域具有广泛的应用前景。但是，传统的镁基复合材料中塑性和韧性较差，极大地限制了镁基复合材料的应用。为此，本项目采用了碳纳米管（CNTs）作为增强体，利用其超高的力学性能和增强效率，开发了一种兼具良好的强度、刚度和塑性的新型镁基复合材料，突破了其关键制备技术，阐明了其强化机制，推动了镁基复合材料制备和设计理论的发展。受本项目资助，培养硕士和博士研究生11人，国内外学术交流14次，发表学术论文18篇，支撑了负责人2018年12月荣获黑龙江省自然科学一等奖。.首先，研发了预分散+电泳沉积的新型仿生层状基元构建技术，可实现CNTs在镁基体中的良好分散。预分散工艺有效地破碎了碳纳米管的缠结，为后续在镁基体中分散CNTs奠定了良好的基础。酸洗主要起到CNTs在制备阶段的宏观分散作用，电泳沉积能够有效地分散CNTs的微观缠结，通过对电泳沉积工艺参数的调控，实现了CNTs在基体中的良好分散。.其次，研究了真空热压烧结和轧制变形对CNTs分布、结构参数（镁层与CNTs层的厚度）和层间界面结合的影响规律，揭示了轧制过程中CNTs的分散规律和层状结构演变规律及机理，阐明了仿生多层次结构的构建机理。通过研究表明，真空热压烧结工艺能够有效的改善CNTs与镁基间的界面结合，进一步的轧制变形处理后，复合材料的力学性能得到了显著提高，获得了强度、刚度和韧性匹配良好的新型仿生层状复合材料。.最后，详细研究了复合材料的显微组织、力学性能和断裂行为，建立仿生多层次CNTs增强镁基复合材料的强韧化模型。通过对比研究结构参数对镁基复合材料拉伸力学性能、局部应变分布和形变微观结构的影响规律，阐明了仿生多层次结构的结构效应，揭示了仿生多层次结构对镁基体的强韧化机制，并通过研究仿生多层次结构参数对复合材料的裂纹萌生和扩展的影响规律，建立出了仿生多层次镁基复合材料的断裂机制模型。.