钛基复合材料(TMCs)具有高比强度、高比模量和优异的耐高温能力,符合航空航天飞行器、高性能汽车等领域对轻质耐热高强结构材料的性能要求。然而传统增强相均匀分布TMCs的强度与塑(韧)性之间存在倒置关系,极大地限制了TMCs的实际应用。为解决该瓶颈问题,本文选择一维碳纳米管(CNTs)和二维石墨烯(graphene)作为高效增强相,利用可控球磨结合放电等离子体烧结(SPS)技术构建了层状微观结构,并最终制备出石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料。首先,建立了球磨工艺参数与撞击能量/频率的定量关系,并通过ABAQUS有限元数值模拟,研究了不同球磨工艺参数下Ti粉的形态与径厚比演变规律,并通过实验进行了对比验证即利用并利用扫描电子显微镜(SEM)系统表征了不同球磨工艺下Ti粉的形态与径厚比演变情况,同时利用X射线光电子能谱仪(XPS)、拉曼光谱仪对球磨后的石墨烯与CNTs分布与存在状态进行了表征;随后,通过Material Studio软件结合第一性原理计算研究了SPS烧结态的石墨烯/Ti界面情况。进而通过优化的球磨与SPS烧结工艺,制备出石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料。ABAQUS有限元数值模拟研究表明:Ti粉在球磨过程中的球料比、转速、磨球直径等参数可量化为撞击能量与撞击频率;当球料比由3:1提升至20:1时,Ti粉达到相同径厚比所需的球磨时间可缩短约50%。进一步研究表明Ti粉的最终径厚比仅取决于单次撞击的能量,当撞击能量达到763J即相当于转速270rmp,球料比20:1时,Ti粉的径厚比达到最大,约为52.1,此时Ti粉的表面积增加了56%;此外,模拟结果显示:粉末的变形过程主要经历三个阶段,由球形经鼓形,最终转化为片状,变形过程中的应力应变分布具有典型的镦粗特征。随后对100μm球状Ti粉进行Ar气氛下的球磨实验,研究表明:加入过程控制剂Na Cl在Ti粉表面形成保护膜,大幅抑制了Ti粉破碎。在球磨时间固定为12h时,当转速达到240rmp时Ti粉具有超过30的径厚比,继续提升转速将导致Ti粉的破裂。在转速为240rmp进行8h的球磨,Ti粉的径厚比达到27.3且表面状况良好。可见,模拟与实验结果中球形Ti粉的变形规律一致,但与ABAQUS模拟结果相比,实际球磨实验时,在相同的球磨时间内获得的Ti粉径厚比更小,获得相同的径厚比的片状Ti粉所需球磨时间更长,这可能与模拟时未考虑球磨温度变化和粉末内部结构有关。综合考虑模拟与实验结果,最佳的球磨工艺为转速240rmp/球磨时间8h+3wt.%的Na Cl过程控制剂,此时将100μm球状Ti粉变形成径厚比为27.3的表面质量良好的片状Ti粉。为将石墨烯、CNTs和片状钛粉混合均匀,首先将CNTs置于浓硫酸与浓硝酸(体积比3:1)的混合强酸中酸化,在石墨烯中加入0.1g SDBS,得到二者分散液后混合超声,促进CNTs与石墨烯均匀分散,获得石墨烯/CNTs稳定悬浊液;随后将分散均匀的石墨烯/CNTs稳定悬浊液与片状Ti粉同时置于行星式球磨罐中在转速为200rmp下进行湿法混粉8h,得到(石墨烯+CNTs)/Ti复合薄片。结果表明:经混粉后石墨烯与CNTs均匀分布于片状Ti粉表面,其中大量的CNTs穿插在石墨烯片层中且CNTs分散较好,而少量的直接粘附在Ti粉表面的CNTs多以团聚形式存在。此外经湿法混粉后,石墨烯层数略有减少,但仍保持完整的多层结构(>4层)。为优化石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料的SPS烧结工艺,本文利用分子动力学研究了不同温度烧结时石墨烯/Ti界面变化规律,结果表明:当烧结温度由600K升至900K时,界面面积较为稳定,界面结合能逐渐增大,界面稳定性逐渐提高。当烧结温度约900K时,石墨烯/Ti界面具有较小的界面面积与较低的原子流动性,界面结合能达到114.9e V,显示出较高的界面结合强度与界面稳定性。900K下,界面的对关联函数在距中心C原子2.21?处出现9.4的峰值,此时石墨烯层与Ti层保持了较好的共价键结合,具有较高的稳定性与较低的界面反应倾向。可见,900K为SPS烧结的最佳温度。综上,石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料最佳制备方案为:首先利用干混球磨(最佳工艺为240rmp(8h)+3wt.%的Na Cl过程控制剂),将直径100μm球状Ti粉变形成径厚比为27.3的片状;再将分散均匀的石墨烯/CNTs稳定悬浊液与片状Ti粉同时置于行星式球磨罐中在转速为200rmp下进行湿法混粉8h,得到(石墨烯+CNTs)/Ti复合薄片;最后,将(石墨烯+CNTs)/Ti复合薄片置于镍基高温合金模具中进行550o C/200MPa/15min的SPS烧结,成功制备出石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料。