钛基复合材料的制备及协同强化机理研究

Titanium matrix composite(TMCs) reinforced by novel nano carbon material are potential structural materials in the fields of aerospace and military due to their high specific strength, high specific stiffness as well as superior high temperature performance. However, their large-scale applications are limited because of the strong agglomeration tendency of nano-carbon material and insufficient improvement performance for TMCs. To overcome the above deficiencies, here, TMCs reinforced by hybrid carbon nanofillers, i.e., graphene oxide and carbon nanotube, will be fabricated. It is expected that the dispersion of carbon nanotube in metal matrix will be enhanced by a range of reactive functional groups on the surface of graphene oxide. Besides, the mechanical and physical properties of the composite will be strengthened by a synergistic effect between the structure and function of the graphene oxide and carbon nanotube. Experiments, first-principles simulations and molecular dynamicswill be carried out in this project to address the following scientific issues: 1) Revealing mechanisms of interaction between two reinforcements and its impacts on the dispersion; 2) Understanding the physica and chemistry process of interface between reinforcements and matrix and then obtaining the relationship between texture, microstucture and properties of the interface; 3)Uncovering the "synergistic effect" of reinforcements on strengthening mechanism of the composite. The obtained knowledge can provide theoretical and technical supports for promoting the production and application of titanium matrix composite in the engineering field.

新型碳材料增强钛基复合材料具有高比强度、比刚度和抗高温特性等优点，成为航空航天和武器装备等领域中的重要结构材料。然而碳材料增强体存在严重的团聚问题造成材料性能提升不足，已经成为限制其发展的关键瓶颈问题。本项目提出以氧化石墨烯和碳纳米管作为多元增强体，制备钛基复合材料，借助氧化石墨烯表面的官能团作用, 加强碳纳米管的分散性，发挥两者在结构和功能上的协同、耦合效应，充分改善基体的力学和物理性能。为此本项目采用第一性原理、分子动力学模拟和实验研究相结合的手段，重点开展：1) 揭示两种增强体之间的相互作用以及分散性效应；2)明确多元增强体与基体之间的界面物理化学过程，并获得界面组织、结构和性能之间的关系；3)揭示多元增强体对基体的“协同效应”强化机理，实现复合材料的性能优化，为满足其在诸多工程领域中的应用需求提供技术和理论支持。

钛基复合材料因为具有高比强度、抗蠕变性、抗磨损性等优点，被广泛应用于航空、汽车等行业中。增强体的性质是影响其性能的最关键因素.碳纳米管（CNT）等新型纳米碳材料因为其优异的性能被视为最具潜力的增强体,但由于CNT有极大的长径比致使它在有机溶剂或聚合物材料中的分散性差易形成团聚,限制了复合材料性能的提升，而氧化石墨烯（GO）表面含有大量含氧观能团使其能够很好的分散在基体中。因此，本文采用氧化石墨烯（GO）来实现对CNT的分散性控制，并以GO-CNT为增强体制备了Ti/GO-CNT复合材料，研究了GO-CNT的分散机制和第一性原理、钛基复合材料的性能表征以及GO-CNT对钛基复合材料的协同强化机理。. GO-CNT混合溶液的分散性研究显示，GO/CNT的质量比越高，CNT在溶液中的分散性越好；GO氧化程度越低，对CNT的分散性改善效果越差。第一性原理的研究结果表明GO中的羧基更有利于改善CNT的分散性。复合材料粉体的微观形貌显示GO/CNT比例不断提升时，混合体的尺寸逐渐降低，在比例为0.75:1时，混合体平均尺寸最小，但混合体分布比较集中；当GO/CNT比例为5:1，混合体尺寸和分布都达到最佳状态。烧结后复合材料主要物相由Ti基体和TiC组成，混合增强体比较均匀的分散在Ti基体中，烧结后会有少量由GO含氧官能团脱除后产生的气孔残留。 混合增强体对钛基复合材料的力学性能提升效果显著。随着GO/CNT比例的增加,Ti/GO-CNT复合材料硬度值不断提高，其最大硬度值为771.5 HV，比纯钛高150.0%。比Ti/CNT复合材料高76.9%。压缩实验结果与硬度结果呈现出相似的规律，最大屈服强度为1387MPa，比纯Ti(797MPa)和Ti/CNT复合材料(869MPa)分别提高了74%和61%。这个结果表明，GO的加入对纯Ti和Ti/CNT复合材料力学性能的提升具有显著效果。钛基复合材料的断口分析显示，随着GO含量的增加，其断裂特征由韧性断裂转变为脆性断裂。当GO/CNT为1:1时，协同效应达到最大。钛基复合材料的主要强化机理为协同强化效应，包括弥散强化、载荷传递以及复合材料的耦合效应。