【摘 要】
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镁元素在自然界中分布广泛,储量丰富,镁合金普遍具有轻质、高比强等优点,使其在航空航天、汽车制造、电子产业、体育器械、医学设备等领域有着非常广阔的应用前景。然而,镁合金的绝对强度和模量偏低是制约其发展的主要因素之一,因此,发展镁基复合材料具有重要的意义。本文首先采用化学镀镍、超声波震荡、球磨分散、机械搅拌等工艺制备了复合材料增强体前驱体;然后采用真空热压烧结法分别制备了碳纳米管、石墨烯、碳纳米管联合
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镁元素在自然界中分布广泛,储量丰富,镁合金普遍具有轻质、高比强等优点,使其在航空航天、汽车制造、电子产业、体育器械、医学设备等领域有着非常广阔的应用前景。然而,镁合金的绝对强度和模量偏低是制约其发展的主要因素之一,因此,发展镁基复合材料具有重要的意义。本文首先采用化学镀镍、超声波震荡、球磨分散、机械搅拌等工艺制备了复合材料增强体前驱体;然后采用真空热压烧结法分别制备了碳纳米管、石墨烯、碳纳米管联合石墨烯增强AZ31镁基复合材料;最后,对纳米碳材料增强AZ31镁基复合材料进行热挤压加工。对烧结态和挤压态纳米碳材料增强AZ31镁基复合材料分别进行显微硬度、压缩、拉伸、摩擦磨损等室温力学性能测试。利用光学金相显微镜（OM）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）研究了不同状态下复合材料的显微组织结构,进行了断口形貌分析,表面形貌分析,磨损表面形貌分析。利用拉曼光谱（RM）、透射电子显微镜分析增强体在复合材料基体中的分散性以及自身形貌特征,研究了基于真空热压烧结工艺制备纳米碳材料增强AZ31镁基复合材料的工艺特点;研究了增强体的添加量对烧结态复合材料的显微组织、室温力学性能的影响规律;研究了热挤压对于复合材料显微组织、室温力学性能以及耐磨性能的影响规律。研究结果表明:采用制备增强体前驱体联合真空热压烧结及热挤压的复合材料制备工艺,能够成功将碳纳米管和石墨烯加入到AZ31镁合金中,并且碳纳米管和石墨烯均能够保持自身形貌特征,同时呈现出良好的分散状态。当碳纳米管作为单一增强体时,随着碳纳米管添加量的增加,复合材料的综合力学性能得到显著提高:当碳纳米管加入量为1.0wt.%时,碳纳米管/AZ31镁基复合材料的显微硬度、抗拉强度同时出现峰值,同时还能获得较好的延伸率;当将石墨烯作为单一增强体时,随着石墨烯添加量的增加,复合材料的综合力学性能同样得到显著提高:当石墨烯的加入量为0.50wt.%时,石墨烯/AZ31镁基复合材料的显微硬度、抗压强度、延伸率同时达到峰值;当碳纳米管和石墨烯同时作为增强体时,随着碳纳米管和石墨烯添加比例的变化,复合材料的综合力学性能呈现出不同的变化规律:当增强体添加量为1.0wt.%,碳纳米管与石墨烯添加比例为1:2时,复合材料呈现出最好的综合力学性能。加入石墨烯后能明显提高AZ31镁合金的耐磨性能。添加0.50wt.%的镀镍石墨烯后,复合材料的摩擦系数分别与AZ31镁合金和添加0.50wt.%石墨烯增强AZ31镁合金的复合材料相比,降低44.68%和27.78%,复合材料的磨损量分别与AZ31镁合金和添加0.50wt.%石墨烯增强AZ31镁合金的复合材料相比,降低66.46%和40.22％。镀镍石墨烯增强AZ31镁基复合材料磨损行为是典型的磨料磨损。纳米碳材料增强AZ31镁基复合材料的增强机理,主要包括两类,第一类是直接强化,它包括两种机理:1.载荷传递强化,增强体均匀分散在整个复合材料基体当中,能够承担外加载荷,提高复合材料力学性能;2.热错配强化,由于增强体与AZ31镁合金的热膨胀系数具有较大差异,引起热错配强化。第二类是间接强化,它包括两种机理:1.晶粒细化强化,增强体分散在晶界附近,在热压烧结、热挤压过程中能够阻止晶粒长大,起到细化晶粒组织的作用;2.位错强化,增强体的存在增加了复合材料的位错密度,两者协同作用,间接提高了复合材料的力学性能。利用四种强化机理公式,分别估算出了挤压态碳纳米管增强AZ31复合材料和碳纳米管与石墨烯协同增强AZ31镁基复合材料的理论屈服强度的大小。计算结果表明:在前者中,热错配强化对镁基复合材料的强化作用最大,其次是载荷传递强化和位错强化,晶粒细化强化影响最小;在后者中,热错配强化作用最大,其次是位错强化和载荷传递强化,晶粒细化强化影响依然最小。
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