复合外场诱导有序定域增强CNTs/Mg复杂构件一体化成形技术基础研究

Aming to deal with the key problems of aligning and controling CNTs during the fabrication of CNTs/Mg composite parts, a new ideas of using combined multi-external-field to induce the locally order CNTs reinforced complex CNTs/Mg parts was proposed in this project. The new process integrate different forming steps into one single pass to satisfy the requirements of aligning fibers and obtaining special local performance, such as melting and pouring magnesium, dispersing CNTs, and forming locally reinforced composites. This project intends to research carbon nanotube surface modification, the the interface combination features, carbon nanotube response under magnetic field and mechanical behavior, finally to find the controlling methods of carbon nanotube distribution and the directed arranged by electricmagnetic field. Intgraged forming device and related controling system will be developed to investigate the coorelationship between process parameters and find the orientation changing mechanism of CNTs under combined external electromagnetic fields through which mechanical and magnectic force are applied at the same time. Effects of CNTs' orientation on the microstructure and properties of composites will be investigated thorougly and models for orientation adjusting and locally reinforcement will be proposed, through which the CNTs' orientation and special properties will be controlled in the fabrication of composites. This project will implement the fabrication of the functional CNTs/Mg composite at low cost which would lay the foundation for the controllable preparation of metal matrix nanocomposite parts..

针对金属基纳米复合材料构件制备中碳纳米管定向排列及控制的瓶颈问题，提出利用电磁场、应力场复合诱导有序定域增强CNTs/Mg复杂构件成形新思路，可以使材料熔化－浇注－分散一定域增强和成形一次完成，满足复杂构件纤维取向和局部特殊性能的需求。本项目拟研究碳纳米管表面改性及复合材料界面结合特征、碳纳米管磁场响应规律和力学行为，寻求电磁场作用下碳纳米管弥散分布及定向排列调控方法；研究电磁搅拌与复合外场取向控制及构件成形一体化装置及控制系统，探索工艺参数匹配规律，揭示复合外场诱导下碳纳米管取向机理；研究碳纳米管取向对CNTs/Mg复合材料微观组织和性能的影响规律及强韧化机理。在此基础上，建立复合外场作用下碳纳米管取向精确调控和定域增强原型系统，实现复合材料制备中碳纳米管取向及特殊性能的主动控制，达到功能化、低成本制备高性能CNTs/Mg复合材料构件之目的，为金属基纳米复合材料构件的可控制造奠定基础。

针对碳纳米管增强金属基复合材料中碳纳米管团聚的问题，采用超声场、磁场和应力场复合的方法，制备了定向碳纳米管簇增强镁基复合材料，对碳纳米管分散性、磁响应行为以及取向控制等进行了深入研究，并开展了镁基复合材料力学性能预测、增强增韧机理和界面微观调控等方面的研究，探索了高度分散碳纳米管的制备方法。.为了将碳纳米管在金属基体中实现有序排列，提出了采用磁场对磁改性碳纳米管进行取向控制的方法，探索了碳纳米管不同的磁改性方法，优化了制备工艺参数，揭示了碳纳米管磁性修饰的化学反应机理，实现了碳纳米管表面均匀的纳米钴磁性镀层的制备，验证了在磁场作用下镀钴碳纳米管在高温镁合金中的有序排列行为。在此基础上，采用任意拉格朗日-欧拉法，建立了超声场的数值模型，通过FLUENT流体仿真软件，分析了不同超声工艺参数下熔体流场的分布，探讨了各工艺参数对流场分布的影响规律，研究了超声对碳纳米管分散性的影响。通过Maxwell有限元模拟软件对磁场发生器进行了静磁场分析和瞬态分析，优化了磁场发生器装置的结构，探讨了结构参数对磁铁静态特性的影响规律。基于机械设计技术、PLC技术、传感器技术以及运动控制技术等多学科理论和技术，设计并开发了碳纳米管增强镁基复合材料的超声磁场机电一体化制备装置，将超声分散装置、磁场装置、冷却装置、熔炼装置以及运动控制系统集于一体，实现了定向碳纳米管簇增强镁基复合材料的可控制备。.基于增强体主应变诱导取向演化理论，对挤压流场中镁基复合材料增强体取向分布规律和力学性能进行了预测，明确了镁基复合材料在挤压成形过程中增强体取向分布的变化规律，揭示了复合材料力学性能的有序定向增强机理。研究了超声场、磁场和应力场等多场作用下碳纳米管的分散性和取向性分布规律，优化得到了最佳工艺匹配参数。在超声场和挤压场作用下，优化了复合材料的制备工艺参数，研究了碳纳米管含量对镁基复合材料微观组织与力学性能的影响规律，揭示了复合材料的增强机理，讨论了不同磁改性的碳纳米管与镁合金之间的界面结合状态，探究了复合材料的增强机理，揭示了界面结构对复合材料构件组织性能的影响规律。在此基础上探索了在碳纤维、SiC和HfC表面生长高度分散的碳纳米管，初步解决了碳纳米管分散难的瓶颈问题。