【摘 要】
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碳纳米管（CNTs）因具有超高拉伸强度及弹性模量等特点,是铝基复合材料（AMCs）的有效增强相。然而由于CNTs易自发团聚,与金属基体界面润湿性差,难以充分发挥增强效果。因此,实现CNTs在基体中均匀分散和良好界面结合是提高复合材料强韧性的关键所在。本研究以铝粉为基体、以硼酸（H3BO3）为原位氧化铝（Al2O3）原料,通过球磨-冷压-烧结-热挤压的粉末冶金工艺制备了以Al2O3包覆CNTs协同增
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碳纳米管（CNTs）因具有超高拉伸强度及弹性模量等特点,是铝基复合材料（AMCs）的有效增强相。然而由于CNTs易自发团聚,与金属基体界面润湿性差,难以充分发挥增强效果。因此,实现CNTs在基体中均匀分散和良好界面结合是提高复合材料强韧性的关键所在。本研究以铝粉为基体、以硼酸（H3BO3）为原位氧化铝（Al2O3）原料,通过球磨-冷压-烧结-热挤压的粉末冶金工艺制备了以Al2O3包覆CNTs协同增强的AMCs（CNTs@Al2O3/Al）。系统研究了复合材料物相演变、Al2O3包覆CNTs增强体构型的形成过程、复合材料微观组织及界面;分析了烧结温度、增强体含量等对复合材料力学性能的影响,结合断口形貌分析了复合材料断裂机理,并详细讨论了原位Al2O3包覆CNTs协同增强AMCs的强化机制。主要内容包括:负载羧基官能团的CNTs与H3BO3形成氢键后随H3BO3溶液均匀分散,之后两者形成H3BO3包覆CNTs的增强体前驱体（CNTs@H3BO3）。X射线衍射、拉曼光谱研究表明烧结时的原位铝热反应将CNTs@H3BO3转化为CNTs@Al2O3。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜观察证实了CNTs@Al2O3包覆结构的形成。原位形成的CNTs@Al2O3包覆结构,使得铝基体与CNTs之间形成了Al2O3界面过渡层,其与铝基体界面连接紧密,与CNTs存在着（002）CNT//（3?11?）Al2O3的特定取向关系,改善了复合材料界面结合,提高了CNTs载荷传递能力。在600℃烧结温度下添加了0.5 wt.%CNTs和10 wt.%原位Al2O3的CNTs@Al2O3/Al复合材料表现出平均404 MPa的极限拉伸强度,显著高于纯铝基体（183 MPa）,强度提升超过120%。与具有相同原位Al2O3含量的Al2O3/Al复合材料相比,CNTs@Al2O3/Al复合材料的塑性也得到了改善。CNTs@Al2O3/Al复合材料增强机制包括基体细晶强化、CNTs载荷传递、弥散分布Al2O3颗粒带来的Orowan强化,以及增强体构型设计带来的构型强化。本工作的制备设计策略简单、强化效果显著,为研究开发轻质高强铝基复合材料提供了借鉴。
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