發(fā)布時(shí)間：2020-05-19 17:03

【摘要】：現(xiàn)代電子信息、交通運(yùn)輸、電力能源等重大領(lǐng)域?qū)︺~基金屬材料的綜合性能提出越來越高的要求。傳統(tǒng)銅合金通過合金強(qiáng)化方式可以提高純銅的強(qiáng)度,但往往同時(shí)伴隨著材料的塑韌性和導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能的下降。通過材料復(fù)合化途徑,銅基復(fù)合材料充分發(fā)揮銅基體和增強(qiáng)體組分的協(xié)同效應(yīng),實(shí)現(xiàn)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的互補(bǔ),因此是實(shí)現(xiàn)高綜合性能的重要途徑之一。以碳納米管(Carbon nanotubes,CNTs)和石墨烯(Graphene,GR)為代表的納米碳材料具有特殊的納米結(jié)構(gòu)和一系列突出的物理化學(xué)性能,被視為金屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。特別是納米碳材料的結(jié)構(gòu)多樣性和內(nèi)在結(jié)構(gòu)可相互轉(zhuǎn)化的特性為納米碳增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(Nanocarbon-reinforced metal-matrix composites,NMCs)的構(gòu)型設(shè)計(jì)提供了豐富的途徑。本論文以開發(fā)高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料為研究目的,提出NMCs內(nèi)在構(gòu)型設(shè)計(jì)的概念,圍繞NMCs領(lǐng)域的幾個(gè)重要問題展開研究:1、納米碳在銅基體中的均勻分散制備工藝;2、納米碳增強(qiáng)體構(gòu)型與復(fù)合材料界面、微結(jié)構(gòu)、宏觀性能之間的關(guān)系;3、納米碳增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料塑性變形及織構(gòu)形成的影響。主要研究結(jié)果如下:一、從復(fù)合材料內(nèi)在構(gòu)型設(shè)計(jì)的研究思路出發(fā),利用多壁碳納米管(Multi-walled CNTs,MWCNTs)管壁可剪切、剝離的特性,設(shè)計(jì)和制備了回流氧化改性CNTs(Refluxed CNTs,R-CNTs)、多層碳納米帶(Carbon nanoribbons,CNRs)、石墨烯納米帶(Graphene nanoribbons,GNRs)、樹葉狀CNT-GNR復(fù)合物(Leaf-like CNT-GNR hybrids,LCGHs)四種不同結(jié)構(gòu)的碳納米構(gòu)型。具體而言:1、針對(duì)MWCNTs只有最外層管壁參與載荷傳遞的問題,利用改進(jìn)型Hummers方法將原始MWCNTs逐層氧化插層、剝離獲得GNRs構(gòu)型,以最大化地發(fā)揮MWCNTs每層管壁的強(qiáng)化作用。2、針對(duì)一般液相氧化處理方法對(duì)納米碳結(jié)構(gòu)和內(nèi)在性能的破壞性問題,發(fā)展了一種的簡單、高效、可控的硝酸蒸氣氣相氧化方法,通過沿軸向剪切打開MWCNTs獲得高質(zhì)量、多層CNRs原材料。同時(shí)通過對(duì)比傳統(tǒng)液相回流氧化制備表面羧基化CNTs的氧化過程,確立了這種氣相氧化過程的管狀→帶狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)制和邊部選擇性氧化機(jī)制。3、受植物葉片結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系啟發(fā),利用Hummers方法氧化插層、控制剝離MWCNTs的最外幾層,制備了一種樹葉狀CNT-GNR復(fù)合構(gòu)型。二、在納米碳構(gòu)型設(shè)計(jì)和調(diào)控的基礎(chǔ)上,確立溶液靜電吸附共沉積+放電等離子燒結(jié)+大變形量熱軋三步工藝路線用于制備均勻分散的塊體NMCs,進(jìn)而探究了構(gòu)型變化對(duì)NMCs的界面結(jié)構(gòu)、載荷/介質(zhì)傳遞、強(qiáng)化機(jī)制的影響,拉伸/電學(xué)性能測試和微結(jié)構(gòu)表征揭示了納米碳構(gòu)型與NMCs宏觀力學(xué)/導(dǎo)電性能之間的關(guān)系。具體而言:1、GNRs結(jié)合了一維CNTs和二維GR的結(jié)構(gòu)和性能特征,顯示出特殊的同步增強(qiáng)純銅強(qiáng)度、塑性和導(dǎo)電性的能力,為解決傳統(tǒng)金屬材料強(qiáng)度-塑性或強(qiáng)度-導(dǎo)電性的矛盾對(duì)立關(guān)系問題提供一條有力的途徑。從界面-位錯(cuò)相互作用角度,結(jié)合強(qiáng)化機(jī)制、剪切-滯后理論和斷口分析探討了GNR/Cu高強(qiáng)高塑性的內(nèi)在機(jī)制。2、CNRs顯示出比R-CNTs更高的強(qiáng)度/電導(dǎo)率強(qiáng)化效率,突出了這種納米管→帶構(gòu)型變化對(duì)銅基復(fù)合材料宏觀性能的直接影響。結(jié)合斷口分析和有限元模擬分析了構(gòu)型-界面載荷傳遞-性能之間的關(guān)系,表明得益于平直且邊緣鋸齒狀的幾何結(jié)構(gòu)、低氧化程度、高石墨結(jié)構(gòu)完整性、高內(nèi)在電導(dǎo)率等特點(diǎn),氣相氧化法所制備CGRs在應(yīng)用于高強(qiáng)高導(dǎo)NMCs方面具有更好的潛力。3、LCGHs長直的“中脈”部分有效避免納米碳的團(tuán)聚,而“葉片”部分提供更大的表面承載面積和豐富的親水氧化基團(tuán)。樹葉狀LCGHs相比R-CNTs的載荷傳遞效率和強(qiáng)化效率都明顯提高,證實(shí)這種納米尺度的仿生內(nèi)在構(gòu)型設(shè)計(jì)可作為調(diào)控復(fù)合材料載荷傳遞效率和宏觀力學(xué)性能的有效手段。利用有限元模擬,剪切-滯后模型和斷口分析探究了相關(guān)力學(xué)和強(qiáng)化機(jī)制,表明復(fù)合材料的良好界面結(jié)合、增強(qiáng)體取向定向化、以及LCGHs的獨(dú)特幾何特征是載荷更有效傳遞的主要原因。三、以GNR/Cu體系為范例,探究了金屬-納米碳異質(zhì)界面對(duì)復(fù)合材料熱軋塑性變形過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為和織構(gòu)形成的影響規(guī)律與作用機(jī)制。在低體積分?jǐn)?shù)時(shí)(0.5vol.%),GNR/Cu界面的存在使得復(fù)合材料形成再結(jié)晶型織構(gòu),而在較高體積分?jǐn)?shù)時(shí)(3 vol.%)形成黃銅型織構(gòu),這些都顯著偏離純Cu中形成的一般銅型織構(gòu)。利用電子背散射衍射、透射電鏡和KAM分析等實(shí)驗(yàn)手段以及粘塑性自洽多晶模擬,證實(shí)GNR/Cu界面會(huì)從阻礙位錯(cuò)正�；�、激活非常規(guī)滑移、形成幾何必須位錯(cuò)、促進(jìn)DRX進(jìn)程四個(gè)方面改變銅基體的織構(gòu)形成過程。該研究表明引入異質(zhì)界面可作為調(diào)控金屬材料的變形組織、織構(gòu)類型和力學(xué)性能的有效手段。
【圖文】：

第一章 緒 論功能化是金屬材料發(fā)展的重要方向，也是國家劃”等重大戰(zhàn)略所布局的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)及高科技發(fā)需求。銅是最重要的有色金屬材料之一，純銅性、易于回收等優(yōu)點(diǎn)，但力學(xué)強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定約 190 MPa），，限制其在電力電子、裝備制造、化方法通過固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等方與此同時(shí)材料的塑性和導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能也會(huì)顯著引線框架材料的強(qiáng)度可達(dá) 600 MPa，但電導(dǎo)率 m1k1，延伸率低至 3%[1, 2]。

于體積分?jǐn)?shù)較小的材料一般采用粉末冶金強(qiáng)體的均勻分散，但這種方法流程較長、體積分?jǐn)?shù)和成分難以控制。同顆粒增強(qiáng)類型銅基復(fù)合材料體系的歸一可見增強(qiáng)體的加入可以顯著提升銅基體的錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制）。與此同時(shí)，顆粒金類似的倒置關(guān)系，其原因是顆粒增強(qiáng)體程中一方面顆粒通過阻礙位錯(cuò)滑移增強(qiáng)嚴(yán)重的變形不協(xié)調(diào)、產(chǎn)生微區(qū)位錯(cuò)堆積和能力，過早在界面微區(qū)發(fā)生變形局域化因
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB333


本文編號(hào)：2671205