高能超声制备CNTs/Mg复合材料的过程和机理研究

Processing and mechanism of fabrication of CNTs/Mg composites by using high-intensity ultrasonics..This project is to research the processing and mechanism of fabrication of CNTs/Mg composites by using high-intensity ultrasonics. The research is mainly focused on the effects of ultrasonic cavitation and acoustic streaming phenomenon on the convection of magnesium alloy melt and the dispersion of carbon nano-tubes, the interface combination of carbon nano-tubes and magnesium matrix, and solidification behavior of magnesium matrix under the ultrasonic action, as well as the effects of ultrasonic parameters and solidification parameters on the mechanical properties of CNTs/Mg composites. The experimental and simulation will be done to explore the mechanism for movement and dispersion of carbon nano-tubes in magnesium alloy melt and interface combination strengthening of the CNTs/Mg composites. This research will give the supports in theory to develop high-intensity ultrasonic processing of fabrication of CNTs/Mg composites.

本项目研究超声作用下制备CNTs/Mg复合材料的过程和机理，主要研究超声空化效应和声流效应对镁合金熔体运动和碳纳米管分散的影响，对碳纳米管和镁合金基体界面结合的影响；研究超声作用和碳纳米管存在于熔体的条件下镁合金基体的凝固行为，超声参数和凝固参数对CNTs/Mg复合材料性能的影响，以及超声复合制备工艺参数的优化等。通过研究，获得超声作用下碳纳米管在镁合金熔体中的运动与分散规律；揭示超声作用对CNTs/Mg复合材料界面结合的影响与机理，阐明超声作用对CNTs/Mg复合材料镁合金基体凝固组织的影响和控制机理，为发展CNTs/Mg复合材料超声制备工艺提供理论指导。

利用超声制备碳纳米管增强金属基复合材料是一种新的复合材料制备方法，本项目针对超声法制备碳纳米管增强镁基复合材料的过程进行研究，主要研究超声空化效应和声流效应对镁合金熔体运动和碳纳米管分散的影响，对碳纳米管和镁合金基体界面结合的影响；研究超声作用和碳纳米管存在于熔体的条件下镁合金基体的凝固行为，超声参数和凝固参数对CNTs/Mg 复合材料性能的影响，以及超声复合制备工艺参数的优化等。研究取得了以下重要成果：.（1）建立了超声作用下镁合金熔体声压场和流场有限元法模型，计算发现超声作用下镁合金熔体存在主环流和壁面环流的双环流特点；通过物理模拟显示超声作用下CNTs的分散过程符合熔体环流运动方式；CNTs在采用超声法制备的CNTs/AZ91D复合材料中分布于晶界或者在晶粒内部第二相周围。.（2）计算获得了超声作用下镁合金熔体中空化气泡稳定曲线，气泡极值半径随超声功率增大而减小， 600W和1000W超声功率对应的气泡稳定半径分别为0.47μm和0.36μm；超声空化作用促进CNTs与合金熔体的润湿，消除CNTs/Mg界面生成的氧化物，改善界面结合，高分辨TEM照片显示CNT与Mg基体之间无中间层出现。.（3）超声凝固CNTs/Mg 复合材料的基体晶粒细小均匀，二次枝晶臂退化。超声产生的声压震荡起到促进熔体形核作用，超声声流促进温度场均匀并且起到晶核输送作用，以及空化气泡溃灭使枝晶臂断裂作用，造成凝固组织细化。CNTs可增加熔体导热率，含CNTs的混合熔体冷却速度较快，起到促进基体凝固组织细化作用。引入超声形核率影响因子的CAFD计算模拟再现了实验结果。.（4）研发了超声-挤压铸造CNTs/Mg 复合材料制备工艺，获得了优化的工艺参数。采用超声处理-挤压铸造方法制得了CNTs/AZ91D复合材料结构件，与基体合金相比，屈服强度最大提高幅度达27.0%。.本项目的研究揭示了超声作用对CNTs/Mg制备过程中CNTs分散、熔体形核、枝晶生长以及CNTs/Mg界面结构的影响机理，研发了超声法制备CNTs/Mg复合材料工艺，为发展CNTs/Mg复合材料超声制备技术提供了理论基础和实验依据，具有重要的科学意义和应用价值。.