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1、碩士學(xué)位論文層狀CNTs/Ti復(fù)合材料制備與斷裂行為研究PREPARATIONANDFRACTUREBEHAVIOUROFTHEMULTI-LAYEREDCNTS/TICOMPOSITES田喆哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：TB331學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：621密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)碩士學(xué)位論文層狀CNTs/Ti復(fù)合材料制備與斷裂行為研究碩士研究生：田喆導(dǎo)師：鄭鎮(zhèn)洙教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科：材料學(xué)所在單位：材料科學(xué)與工程學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
2、ClassifiedIndex:TB331U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPREPARATIONANDFRACTUREBEHAVIOUROFMULTI-LAYEREDCNTS/TICOMPOSITESCandidate:TianzheSupervisor:Prof.ZhengZhenzhuAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MaterialsScienc
3、eAffiliation:SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence:June，2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文摘要鈦基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足航空航天與高性能汽車(chē)等領(lǐng)域?qū)τ诠こ探Y(jié)構(gòu)部件的輕量化與高強(qiáng)度的迫切需求。傳統(tǒng)增強(qiáng)體均勻分布的鈦基復(fù)合材料，隨著增強(qiáng)體含量增加，強(qiáng)度大幅提高，而塑
4、性會(huì)顯著下降，即存在強(qiáng)度-塑性倒置問(wèn)題。針對(duì)此難題，受貝殼微納米層狀結(jié)構(gòu)具有最佳強(qiáng)韌化匹配的啟發(fā)，本文采用電泳沉積法首先在純Ti箔上構(gòu)建碳納米管（CNTs）強(qiáng)化層，即獲得CNTs/Ti單層材料，隨后將CNTs/Ti單層材料堆疊，再利用放電等離子燒結(jié)（SPS）結(jié)合軋制技術(shù)制備出仿生層狀CNTs/Ti復(fù)合材料。通過(guò)調(diào)控制備工藝參數(shù)同時(shí)解決了CNTs在鈦基體中難以均勻分散以及CNTs與鈦基體界面反應(yīng)等共性問(wèn)題。利用SEM和TEM表征了層狀CNTs/Ti復(fù)合材料的微觀(guān)組織與界面特征；闡明了CNTs含量對(duì)
5、層狀CNTs/Ti復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，并利用原位拉伸技術(shù)結(jié)合SEM和三維X射線(xiàn)顯微鏡（XRM）研究了層狀CNTs/Ti復(fù)合材料的裂紋萌生與擴(kuò)展規(guī)律，最終揭示了層狀CNTs/Ti復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制與斷裂機(jī)理。研究表明：酸化處理7h結(jié)合連續(xù)超聲8h可以破碎CNTs的團(tuán)聚，獲得分散均勻的CNTs懸濁液；通過(guò)調(diào)控電泳沉積工藝參數(shù)，能夠在純Ti箔表面獲得分散均勻的CNTs沉積層，同時(shí)可以調(diào)控CNTs沉積層厚度；通過(guò)改變Ti箔厚度與電泳沉積時(shí)間，可以調(diào)控CNTs的含量。低溫SPS燒結(jié)（500℃/50
6、MPa/10min）結(jié)合低溫軋制（首道次變形量60%/500℃退火5-10min/總變形量85%）可以制備出層狀CNTs/Ti復(fù)合材料。CNTs管呈現(xiàn)層狀分布于Ti基體中，CNTs與Ti基體界面結(jié)合良好，并且大部分界面反應(yīng)被抑制。但由于酸化、超聲以及軋制等工藝使少量的CNTs有一定損傷，在CNTs外壁與開(kāi)放端口等損傷位置易Ti反應(yīng)生成TiC，TiC尺寸為20-30nm。因此，CNTs大部分與Ti基體直接結(jié)合形成良好的冶金結(jié)合界面，也存在依靠生成TiC結(jié)合，即形成CNTs/TiC/Ti界面,此界面
7、原子排列整齊，界面結(jié)合良好，以上兩種情況均形成強(qiáng)界面結(jié)合，有助于發(fā)揮CNTs的增強(qiáng)效果。拉伸測(cè)試結(jié)果表明：隨著CNTs含量的提高，層狀CNTs/Ti復(fù)合材料的強(qiáng)度明顯提高，0.08wt.%CNTs/Ti復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度高達(dá)723MPa，比純Ti疊層材料的抗拉強(qiáng)度（590MPa）提高了22%，且其延伸率仍高達(dá)約17%。由此可見(jiàn)，本文開(kāi)發(fā)出的層狀CNTs/Ti復(fù)合材料，當(dāng)CNTs含量?jī)H為0.08wt.%時(shí)，就顯示出顯著的強(qiáng)化效果，其強(qiáng)化效果是粉末冶金法制備的CNTs/Ti復(fù)合材料的4.5倍！高強(qiáng)度
8、可能歸因?yàn)椋海?）絕大部分CNTs與Ti基體未發(fā)生明顯界面反應(yīng)，且形成了良好的冶-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文金界面結(jié)合，即強(qiáng)界面結(jié)合有利于載荷傳遞，而且CNTs分散均勻，單根CNTs都發(fā)揮了其最佳強(qiáng)化效應(yīng)；（2）Orowan強(qiáng)化機(jī)制：CNTs與生成的少量納米TiC阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度；（3）細(xì)晶強(qiáng)化：鈦基體為細(xì)小的亞微米晶粒，有利于提高復(fù)合材料強(qiáng)度。層狀CNTs/Ti復(fù)合材料具有良好的塑性原因可能是由于鈦基體的晶粒尺度為亞微米級(jí)，位錯(cuò)仍具有相當(dāng)?shù)目蓜?dòng)性，鈦基體仍具有很好的
