CNTs接枝Cf增强镁基复合材料制备及强韧化机理研究

Aiming for the urgent demands of fabrication and property increase of magnesium matrix composite, a new technique to fabricate CNTs-Cf hybrid magnesium matrix composite is proposed. The interface mechanical behavior of composite is controlled efficiently by modifying the morphology of carbon fiber surface and controlling the forming process. The mechanism of grafting CNTs onto carbon fiber will be investigated so that the speed and morphology of CNTs growth can be controlled. CNTs grafted carbon fiber preform is fabricated. Infiltration mechanism of liquid magnesium into hybrid preform of CNTs-Cf will be investigated to determine the optimized infiltration process parameters. The coupling effect between microstructure and mechanical properties will be investigated to realize the positive control to composite performance. Grafting strength and mechanical interface behavior of composites will be determined experimentally to construct the micromechanical model and reveal the strengthening and toughening mechanism of composites. Matching rules of the process parameters for vacuum infiltration liquid-solid forming under high pressure will be investigated to construct the process control prototype system of fabricating CNT-Cf/Mg composites. This project is expected to enrich the theory of designing metal matrix composites and provide a new means to strengthen and toughen the magnesium matrix composite at same time.

针对镁基复合材料制备及性能提高的迫切需求，提出碳纳米管接枝碳纤维增强镁基复合材料（CNT-Cf/Mg）新思路，通过改变碳纤维的表面形貌和控制液固渗挤成形过程实现对界面结合状态与强度的有效调控，同步提高复合材料的强韧化指标。研究CNTs在碳纤维表面的原位生长机理，控制其生长速度与形貌，制备CNTs-Cf多尺度混杂增强预制体；探究镁液在CNTs-Cf混杂预制体内的渗流机理，确立最佳浸渗工艺参数；研究CNTs-Cf/Mg复合材料微观组织结构与力学性能的偶合作用，实现对复合材料性能的主动控制；建立CNTs-Cf/Mg复合材料界面微观力学模型，揭示CNT-Cf/Mg复合材料的强韧化机制；研究液固渗挤CNTs-Cf/Mg复合材料的工艺参数匹配规律，建立工艺调控原型系统。本项目有望丰富金属基复合材料微观结构与界面设计的基础理论，为同步提高复合材料强韧化指标提供新途径。

针对碳纤维自身尺寸及复合材料界面微结构的限制，以及碳纤维在金属基体中的增强效果尚未充分发挥的问题，提出在碳纤维表面接枝碳纳米管（CNTs-Cf），增大碳纤维比表面积，改善其与镁基体间的界面结合行为，对接枝CNTs的分散性、界面结合行为以及均匀性控制等方面（或问题）进行探索，并结合真空吸渗-液固高压渗挤成形技术，开展CNTs-Cf/Mg复合材料力学性能增强机理和界面微观调控等方面的深入研究。.（1）为了实现CNTs均匀有序分布的接枝，提出了采用化学气相沉积（CVD）和电泳沉积（EPD）进行控制的工艺，探索了碳纳米管不同的接枝方法，实现了碳纤维表面均匀的CNTs层的制备，确立了CNTs稳态生长体积分数、控制参数以及CNTs-Cf多尺度预制体的制备方法。.（2）基于传统挤压铸造工艺，设计开发了一套制备镁基复合材料变冷却速率、实时检测挤压工艺参数一体化装置以及检测层间剪切性能和拉伸性能的试验装置，研究了熔融镁液在CNTs-Cf多尺度预制体中的渗流行为与机理，优化了真空吸渗-液固高压渗挤成形工艺参数，为CNTs-Cf/Mg复合材料及结构件的可控制备及性能提供技术支持。.（3）讨论了CNTs过渡层对载荷传递的作用，并分析被熔融合金冲刷后的CNTs形貌对裂纹扩展的影响规律，明确了镁基复合材料在挤压成形过程中CNTs分布的变化规律，揭示了CNTs-Cf/Mg复合材料力学性能的增强机理。.（4）通过对不同接枝CNTs工艺参数下的CNTs-Cf/Mg复合材料力学性能与组织形貌分析，探究了CNTs与碳纤维之间的接枝强度，揭示了CNTs过渡层对力学性能的影响机制。研究了复合材料制备工艺参数对浸渗质量、微观组织分布等的影响机制，建立了CNTs-Cf/Mg复合材料微观组织与力学性能之间的耦合关系。.（5）研究了不同接枝方法对CNTs与镁合金之间的结合状态及界面微观形貌，结合复合材料及CNTs的断裂、拔出及脱粘等状态，揭示了界面微结构在强韧化CNTs-Cf/Mg复合材料方面的作用机制，确立CNTs-Cf/Mg复合材料最佳微结构形态，并进行实验验证。在此基础上探索了在碳纤维表面沉积均匀分布PyC及SiC纳米线等工艺，实现Cf/Mg复合材料性能的改善，为同步提高金属基复合材料强韧化制备提供新思路。