《碳納米管/鋁基層狀仿生複合材料的製備研究》是依託上海交通大學，由李志強擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：碳納米管/鋁基層狀仿生複合材料的製備研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李志強
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
層狀複合結構是自然界長期進化而優選的強韌化解決方案，其中貝殼珍珠層仿生製備是高強超韌材料的開發重點。本項目旨在探索製備具有珍珠層結構的碳納米管鋁基（CNTs/Al）層狀仿生複合材料，擬基於片狀Al粉的自堆砌形成疊層結構，基於表面包覆聚合物薄膜(含催化劑前驅體)的催化熱解原位生成CNTs，預期以靠近Al片表面的CNTs影響區為硬層，以Al片的中心區為軟層，從而發揮軟硬交替的結構強韌化機制，以及CNTs承載、彌散強化、細晶強化等多種機制，獲得優異的力學性能。擬基於細觀力學分析，闡明CNTs/Al 層狀仿生複合的技術原理，揭示微觀結構及特徵尺度與巨觀力學性能之間的關係，構建拓撲結構模型和力學本構方程，最終為CNTs/Al的實用化提供理論依據和技術支撐。
結題摘要
啟迪於自然界貝殼珍珠層完美的強、韌性能匹配，本項目將其 “磚砌式”納米疊層複合構型引入到金屬材料體系中，提出了創新性的“片狀粉末冶金”仿生製備技術路線，以表面均勻複合碳納米管（CNTs）的納米鋁片為模組，自組裝堆砌形成納米疊層結構，通過發揮納米尺度與複合構型的雙重效益，最終獲得了既強且韌的碳納米管增強鋁基（CNTs/Al）複合材料。在探明材料配方、製備工藝、微觀結構與CNTs/Al力學性能相互關係的基礎上，重點研究了複合構型對CNTs增強效率、基體織構及位錯容限的影響規律，揭示了CNTs/Al仿生複合材料的“結構強韌化”機制。本項目得到了如下主要結論：（1）通過調控鋁粉的初始粒徑和球磨時間，並結合XRD（200）峰的強度演可以製備出不同徑厚比的微納米片狀鋁粉。納米片狀鋁粉的尺度和形態與CNTs更加相容，有利於誘導CNTs在其表面吸附，進而提高CNTs的均勻複合能力。（2）採用料漿共混工藝實現CNTs均勻複合。鋁粉經PVA表面改性後，可通過氫鍵作用將CNTs錨定到鋁粉表面，防止CNTs由於密度差與粉分離，抑制在乾燥階段CNTs的重新團聚，從而實現了CNTs在Al鋁表面的均勻組裝。（3）採用冷壓結合真空熱壓、擠壓將微納米片狀CNTs/Al複合模組組裝，通過調控複合模組的徑厚比、燒結和擠壓溫度及CNTs含量，獲得了緻密且高度有序的仿生疊層CNTs/Al複合材料。（4）在納米疊層仿生複合構型中，CNTs取向和強化效果更佳，有效抑制了{001}<100>再結晶織構形成，從而在最終材料中保留了{211}<111>變形織構；此外，CNTs有效地促進鋁基體位錯增殖和加工硬化，使CNTs/Al複合材料強度明顯提高的同時也具有良好的塑性變形能力。總之，CNTs/Al納米疊層仿生複合材料的拉伸性能明顯優於傳統技術製備的同質均勻材料，實現了強韌性的同步改善，驗證了仿生疊層複合構型的結構效益與顯著優勢。因此，本項目所提出的“結構強韌化”機制，及“片狀粉末冶金”技術路線，為設計製備強韌性能匹配的高性能金屬基複合材料提供了新原理和技術支撐。
