低层错能Cu-Al合金中纳米尺度退火孪晶的形成机理及其对力学性能的影响

Cu-Al alloys with different stacking fault energy will be used as the study objects. Severe plastic deformation (e.g. cold rolling and high pressure torsion) under liquid nitrogen temperature will be used to deform the specimens into nanostructured materials with deformation twins, and then nano-scale annealing twins will be introduced into the specimens through appropriate thermal treatment process. Research will focus on (1) the influence of deformation degree, microstructure, stacking fault energy, annealing temperature and annealing time on the formation, size and quantity of annealing twins; (2) the influence of annealing twins on the deformation behavior and mechanical properties of materials, respectively. TEM, etc., will be used to observe and analysis the following aspects: (1) the characterization of nano-scale annealing twins and their formation process and rule; (2) the interaction between annealing twins and dislocations during deformation process, the configuration of dislocations at the vicinity of twin boundaries, the influence of twin lamella space on the dynamic recovery of dislocations. The results of the research will show that (1) the formation rule and mechanism of annealing twins in nanostructured materials;(2) the function of annealing twin boundaries as the sink and source of dislocations，and the relationship between grain size, twin lamella space, twin density and the strength and ductility of the materials. The results of the research will also provide the experiment evidence and theoretical basis for the preparation, structural optimization and strengthening and toughening of nanostructured materials.

以不同层错能的Cu-Al 系合金为研究对象，采用在液氮温度下的大塑性变形（如冷轧、高压扭转）工艺，将上述样品制备成包含高密度变形孪晶的纳米结构材料，随后采用合理的退火工艺在上述样品中引入纳米尺度的退火孪晶。分别研究（1）变形量、微观结构、材料的层错能、退火温度、退火时间等参数对退火孪晶的形成、尺寸及数量的影响；（2）纳米尺度退火孪晶对材料变形行为及力学性能的影响。采用透射电镜等观察与分析（1）纳米尺度退火孪晶的特征，分析其形成过程及形成规律；（2）变形过程中退火孪晶与位错的交互作用、位错在孪晶界附近的排列组态、孪晶片层间距对位错动态回复的影响。揭示纳米结构材料中（1）退火孪晶的形成规律及形成机理；（2）退火孪晶界作为位错吸收与发生源的作用，晶粒尺寸、退火孪晶的片层间距及孪晶密度等与材料强度及塑性之间的关系。为纳米结构材料的制备、结构优化、强韧化途径提供实验证据和理论基础。

本项目采用不同的方法制备了具有纳米尺度退火孪晶结构的铜基复合材料。首先，采用改进的分子级共混法制备了碳纳米管-还原氧化石墨烯混合体增强的铜基复合材料。在分子级共混过程中，通过控制pH值，以自组装的方式在复合材料基体中形成了富碳区和贫碳区的层级结构，并在还原和烧结过程中，在Cu基体中形成了纳米尺度的退火孪晶。结果表明，层级结构和纳米孪晶对复合材料的力学性能和导电性能都有影响。2.5 vol.%的碳纳米管-还原氧化石墨烯/Cu复合材料的抗拉强度为601MPa，远高于2.5 vol.%的还原氧化石墨烯/Cu复合材料（450MPa）和纯Cu（294MPa）。研究表明，碳纳米管-还原氧化石墨烯混合增强体具有明显的晶粒细化效应和较高的载荷传递效率，能有效提高碳纳米管-还原氧化石墨烯/Cu复合材料的强度。同时，增强体含量为2.5 vol.%的碳纳米管-还原氧化石墨烯/Cu和还原氧化石墨烯/Cu复合材料保持了良好的导电性能，电导率分别为83%和85% IACS，这与复合材中纳米尺度退火孪晶的存在密切相关。该项工作有助于更好地理解具有层级结构的铜基复合材料的结构设计，并有助于优化其力学和电学性能。.此外，采用不同表面条件的碳纳米管作为增强体，对碳纳米管/Cu复合材料的界面结构进行了改性和调控。重点研究了修饰后的碳纳米管与铜基体相互作用所引起的界面微观结构的变化和由其引起的强化效应，阐明了界面产物对退火孪晶稳定性的影响、退火孪晶与增强体的交互作用等对复合材料力学性能的影响。研究结果表明，经表面装饰后碳纳米管的高活性表面有利于界面产物（CuO、Cu2O和Ni3C）、非晶区过渡和界面应力区的形成，其强化效果显著。位于晶界或孪晶界上的碳纳米管可以延缓晶界的迁移，从而有助于烧结后晶粒尺寸的减小。跨越晶界或孪晶界的碳纳米管可以发挥桥梁作用，连接相邻的晶粒或孪晶，有利于提高晶粒或孪晶之间的载荷传递效率。经界面优化后的碳纳米管/Cu复合材料的强化机理主要为载荷传递。镀镍碳纳米管增强的Cu基复合材料的界面剪切强度约为179MPa，高于基体剪切强度。本研究阐明了碳纳米管的表面状态对金属基复合材料界面结构的影响以及界面产物对退火孪晶稳定性的作用，可为增强体和基体之间缺乏润湿性和相互作用的金属基复合材料的制备与性能改善提供参考。