（材料加工工程专业论文）碳纳米管az31镁基复合材料的制备与等径角挤压研究.pdf

摘要 摘要 由于镁基复合材料具有轻质、比强度高、尺寸稳定性好等一系列优点，使 其在汽车、航空、3 c 电子等领域有着非常广阔的应用前景。然而，由于其极差 的塑性和耐腐蚀性，严重的阻碍了镁基复合材料的广泛应用。 本文首先采用碳纳米管孕育块铸造法制备了碳纳米管a z 3 l 镁基复合材 料。经热挤压后，再利用等径角挤压变形工艺对复合材料进行深度塑性变形。 对铸念和经等径角挤压变形不同道次后的碳纳米管a z 3 l 镁基复合材料在 3 5 w t n a c l 腐蚀介质中进行了静态浸渍实验及电化学腐蚀实验。利用光学会相 显微镜( o m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 研究了不同 状态下复合材料的显微组织结构，拉伸断口形貌分析，表面形貌分析，腐蚀表 面形貌分析等；测试了复合材料的室温力学性能和抗腐蚀性能；并利用x 射线 衍射仪对等径角挤压变形过程中复合材料织构的演变进行了分析。主要从提高 复合材料中碳纳米管的分散性入手，研究了碳纳米管孕育块铸造法制备碳纳米 管镁基复合材料的工艺特点；碳纳米管的加入量对铸态复合材料的显微组织、 室温力学性能及抗腐蚀性能的影响规律；等径角挤压变形工艺对碳纳米管镁基 复合材料的晶粒细化、室温力学性能、织构演变及抗腐蚀性能的影响规律。 研究结果表明，采用碳纳米管孕育块铸造法制备碳纳米管a z 3 l 镁基复合 材料能有效地将碳纳米管添加到a z 3 1 合金中，并且具有良好的分散性。大部 分碳纳米管分布在晶界处的离异共晶p a l l 2 m 9 1 7 相和二次p a l l 2 m g l 7 相中，不仅 起到细化晶粒作用，还对晶乔和晶粒之间起到相互搭接和强化作用。随着碳纳 米管的加入，铸态复合材料的综合力学性能得到显著提高：当碳纳米管加入量 为1 0 w t 时，铸态碳纳米管a z 3 l 镁基复合材料的抗拉强度、延伸率、显微硬 度同时出现峰值，使复合材料在获得高强度的同时还能获得更好的延伸率。但 是碳纳米管具有较强的表面效应，加入过多容易导致其大量团聚，形成微观空 隙的生成源，从而影响复合增强效果，使复合材料的力学性能降低。 等径角挤压变形工艺能明显地细化碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料的基体晶 粒组织。碳纳米管在纯剪切力的作用下分散得更均匀，均匀分散在复合材料中 的碳纳米管在较高温度的等径角挤压变形过程中可以起到一个钉扎晶界、阻碍 t 。 摘要 晶粒长大的作用。随着变形道次的增加，复合材料中超细晶粒逐渐增多，当经 过四道次等径角挤压变形后碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料晶粒平均直径尺寸达 到约2 1 a m 。等径角挤压变形后碳纳米管a z 3l 镁基复合材料室温延伸率随晶粒 细化而提高，但其抗拉强度随晶粒细化而降低，与h a l l p e t c h 关系相反。碳纳 米管a z 3 1 镁基复合材料的室温力学性能受复合材料中碳纳米管的分散性、晶 粒组织大小、织构分布等因素的综合影响。 加入碳纳米管能明显提高a z 3 1 镁合金的抗腐蚀性能。碳纳米管含量为 1 5 w t 的铸态碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料在3 5 w t n a c l 腐蚀介质中浸泡2 4 小时的平均腐蚀速率由a z 3 1 镁合金的3 2 0 6 8m g ( m l s ) 降为1 1 0 6 9 m g ( m 2 - s ) 。电 极化曲线测试的腐蚀电流密度乙，由a z 3 l 镁合金的5 2 7 9 p a c m 2 减小到 2 9 9 4 p a c m 2 。分散于复合材料中的碳纳米管能起到阻碍复合材料的表面氧化层 产生裂缝和加固氧化层的作用；同时碳纳米管在镁合金中与基体间界面结合紧 密也阻碍复合材料的表面氧化层从基体上脱落，从而延缓了复合材料的进一步 氧化，提高其抗腐蚀性能。经等径角挤压变形后的碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料 的抗腐蚀性能比铸态复合材料得到更明显的提高，除晶粒细化之外，随着等径 角挤压道次的增加，复合材料中碳纳米管增强相的均匀分散程度的提高是主要 原因。a z 3 1 1 0 叭m w c n t s 复合材料经等径角挤压变形四道次后，在 3 5 w t n a c l 腐蚀介质中浸泡2 4 d 时的平均腐蚀速率由挤压态的0 6 0 3 5m g ( m 2 s ) 降为0 2 9 6 3 m g ( m 2 - s ) 。电极化曲线测试的腐蚀电流密度乙，由等径角挤压变形前 3 3 6 3 p a c m 2 减小到2 2 6 9 i t a c m 2 。 关键词：碳纳米管；a z 3 1 镁合金；镁基复合材料；等径角挤压；腐蚀 a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t b e c a u s em a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sh a v eas e r i e so fa d v a n t a g e s ，s u c h a s l i g h t w e i g h t ，h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，g o o dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n ds oo n ，t h e yh a v e w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ef i e l d so fa u t o m o b i l e ，a e r o n a u t i ci n s t r u m e n t sa n d 3 cp r o d u c t s h o w e v e r , d u et ot h e i rr e l a t i v e l yl o wp l a s t i c i t ya n dp o o rc o r r o s i o n r e s i s t a n c e t h ew i d ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sh a sb e e ns e r i o u s l y h i n d e r e d m u l t i w a l l e dc a r b o nn o n o t u b e s ( m w c n t s ) a z 3 1 a l l o yc o m p o s i t e sw e r e f a b r i c a t e db yi n t r o d u c i n gm w c n t si n t oa z 3 1m ga l l o ym e l t s c o m p o s i t e sw e r e p r e p a r e df o rs e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nb ym e a n so fe q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ( e c a p ) d e f o r m a t i o np r o c e s sa f t e r h o te x t r u s i o n t h ec o r r o s i o nb e h a v i o ro f c o m p o s i t e sw h i c hw e r eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s u c ha sa s c a s ta n da f t e re c a p d i f f e r e n tp a s s e s ，w e r e s t u d i e d b yi m m e r s i o n a n de l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n e x p e r i m e n t si n3 5 w t n a c lc o r r o s i o nm e d i u m t h eo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n d a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) w e r eu s e d t oi n v e s t i g a t et h e i rm i c r o s t r u c t u r e s ，t e n s i l ef r a c t u r ea p p e a r a n c ea n a l y s i s ，s u r f h c e t o p o g r a p h i ca n a l y s i s ，e t c h e ds u r f a c em o r p h o l o g ya n a l y s i s ；t e s t e dt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n d c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t em a t e r i a l s t h e t e x n l r ee v o l u t i o no fc o m p o s i t e sw a si n v e s t i g a t e db yx r a yd i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) d u f f n ge c a p s t a r t i n gw i t hi m p r o v e m e n to f t h ed i s p e r s i o no fm w c n t si na na z 3 1 a l l o y , i n v e s t i g a t e dt h et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f j o i n i n gp e r f o r mo fm w c n t s d u r i n g m e l t i n g ；t h ee f f e c tr u l e so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a tr o o mt e m p e r a t u r e ， m i c r o s t r u c t u r ea i l dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec a s tc o m p o s i t e sw h e ne n h a n c i n gt h e m 嬲sf r a c t i o no fm w c n t sa d d i t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c tr u l e so ng r m n r e f i n e m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t e x t u r ee v o l u t i o na n d c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t e sp r o d u c e db ye c a pw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u i t ss h o w e dt h a tt h ep r e p a r a t i o nm e t h o dw h i c hj o i n e dp e r f o r mo f m w c n t sd u r i n gm e l t i n g f o rm w c n t s a z 31a l l o ym a t r i xc o m p o s i t e s c a n e f f e c t i v e l ya d dm w c n t si n t o a z 31 a l l o y m a t r i xw i t hg o o dd i s p e r s i o n ；m o s t i v a b s t r a c t m w c n t sw e r ed i s t r i b u t e di nd i v o r c e de u t e c t i cp h a s e ( p a l l 2 m g l 7 ) a n dq u a d r a t i c p h a s e ( 1 3 一a l l 2 m 9 1 7 ) o fg r a i nb o u n d a r i e s ；t h ep h e n o m e n o nn o to n l yr e f i n e dt h e g r a i n so ft h ec o m p o s i t e s ，b u ta l s oo v e r l a pa n ds t r e n g t h e nt h eg r a i n sa n dg r a i n b o u n d a r i e s w i t ht h ea d d i n go fm w c n t s ，t h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fc o m p o s i t e sh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ：w h e nt h ea d d i t i o no fm w c n t sw a s 1 0 w t ，t h et e n s i l es t r e n g t h ，e l o n g a t i o na n dm i c r oh a r d n e s sa c h i e v e ds i m u l t a n e o u s l y t h em a x i m u m ，o b t a i n i n gh i g h s t r e n g t ha tt h es a m et i m eb e t t e re l o n g a t i o n ，b u tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sw o u l db ef e l ld o w ni fh a v em o r ea d d i t i o no f m w c n t s ，b e c a u s em w c n t sh a v es t r o n g s u r f a c ee f f e c ta n d e a s i l y c a u s e a g g l o m e r a t i o n t h ee c a pp r o c e s sc a ns i g n i f i c a n t l yr e f i n et h eg r a i n so ft h em w c n t s a z 31 a l l o yc o m p o s i t e s t h em w c n t sw e r eb r o k e nu n d e rh i g hs h e a r i n gs t r e s s ，a n dt h e p a r t i c l ed i s t r i b u t i o ni nt h em a t r i xa l l o yw a sh o m o g e n e o u s d u r i n gt h ep r o c e s so f h i g h e rt e m p e r a t u r ee c a p ，m w c n t sc o u l dp i ng r a i nb o u n d a r i e sa n dh i n d e rg r a i n s g r o w t h ；w i t ht h ei n c r e a s eo fe c a pp a s sn u m b e r s ，t h ep r o p o r t i o no fu l t r a - f i n eg r a i n i n c r e a s e d a f t e r4p r e s s i n gp a s s e s t h eg r a i n sw e r ee f f e c t i v e l yr e f i n e dt oam e a ns i z e o f2 1 x m t h ee l o n g a t i o no fc o m p o s i t e sw e r ei m p r o v e db u tt h es t r e n g t hd e c r e a s e dw i t h t h eg r a i n s r e f i n e m e n ta f t e re c a p ，w h i c hw a sa ni n v e r s eh a l l - p e t c hr e l a t i o n s h i p ；t h e d i s p e r s i o no fm w c n t si na z 3 1 a l l o y , g r a i ns i z ea n dt e x t u r et o g e t h e rh a v ea n i m p o r t a n tr o l eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r eo fm w c n t s a z 31 a l l o yc o m p o s i t e sa f t e re c a p t h ea d d i t i o no fm w c n t si na z 31 a l l o yc a l lb eo b v i o u s l yi m p r o v e dt h e c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t em a t e r i a l s a f t e ri m m e r s i o ni n3 5 w t n a c l c o r r o s i o nm e d i u mf o r2 4 h ，t h ea v e r a g ec o r r o s i o nr a t ec h a n g e df r o m3 2 0 6 8m e , ( m 2 s ) t o1 10 6 9 m g ( m 2 。s ) w h e nt h ea d d i t i o no fm w c n t sw a s1 5 w t t h ec o r r o s i o n c u r r e n td e n s i t y ( 乙，) w h i c hw a sm e a s u r e db ye l e c t r i cp o l a r i z a t i o nc u r v ed e c r e a s e d f r o m5 2 7 9 i _ t a c m 2t o2 9 9 4j _ t a c m 2a tt h ea d d i t i o no fm w c n t sw a s1 5 w t t h e c n t sd i s p e r s e di nt h ec o m p o s i t em a t e r i a l sp r e v e n t e dt h es u r f a c eo x i d el a y e ro f c o m p o s i t em a t e r i a lf r o mf o r m a t i o no fc r a c k sa n dr e i n f o r c e dt h e o x i d e l a y e r ； m e a n w h i l e ，s t r o n gi n t e r f a c eb e t w e e nm w c n t sa n da z 3 1 a l l o yp r e v e n t e dt h e s u r f a c eo x i d el a y e rs e p a r a t i n gf r o ma z 31 a l l o ym a t r i x t h e r e f o r e ，d e l a y e dt h ef u r t h e r v ! ! 兰! ! 呈! ! 一一 - - - - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ 一一 o x i d a t i o no ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sa n di m p r o v e dt h e i rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a f t e r e c a pd e f o r m a t i o n ，t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h em w c n t s a z 3 1a l l o yc o m p o s i t e s h a sb e e ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c e dt h a nt h ec a s tc o m p o s i t em a t e r i a l b e s i d e sg r a m r e f i n e m e n t ，w i t ht h ei n c r e a s eo fe c a pp a s sn u m b e r ，t h ei m p r o v e m e n to fd i s p e r s i o n o fm w c n t si na z 3 la l l o yw a st h em a i nr e a s o n a f t e re c a p4p a s s e s ，t h ea v e r a g e c o r r o s i o nr a t eo fa z 3 1 1 0 m w c n t sc o m p o s i t e si m m e r s e di n3 5 w t n a c l c o r r o s i o nm e d i u mf o r2 4 hc h a n g e df r o mo 6 0 35m g ( m 2 s ) t oo 2 9 6 3 m g ( m z s ) a n d t h ec o r r o s i o nc u r r e n td e n s i t y ( i , 。，) d e c r e a s e df r o m3 3 6 3 1 x a c m 2 t o2 2 6 9 叫c m 。 k e yw o r d s ：m u l t i w a l l e dc a r b o nn o n o t u b e s ( m w c n t s ) ；a z 3 1a l l o y ；m a g n e s i u m m a t r i xc o m p o s i t e s ；e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ( e c a p ) ；c o r r o s i o n 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 镁基复合材料的研究2 1 2 1 镁基复合材料的组成及其界面2 1 2 2 镁基复合材料的研究现状3 1 3 碳纳米管的基本概况5 1 3 1 碳纳米管的结构5 1 3 2 碳纳米管的力学性能与化学性能6 1 3 3 碳纳米管在金属基复合材料中的应用7 1 4 碳纳米管增强镁基复合材料8 1 4 1 碳纳米管增强镁基复合材料的特点8 1 4 2 碳纳米管增强镁基复合材料的研究现状8 1 4 3 碳纳米管增强镁基复合材料的存在问题及发展方向9 。1 4 3 1 碳纳米管在镁基体中的分散性9 1 4 3 2 镁基体的氧化9 1 4 3 3 界面结合1 0 1 4 3 4 发展趋势l0 1 5 等径角挤压变形1 1 1 5 1e c a p 模具和挤压变形路线1 2 1 5 2e c a p 对镁合金及镁基复合材料的研究现状1 3 1 6 镁合金的腐蚀与防护1 5 1 6 1 镁的电化学特性1 5 1 6 2 镁及镁合金的防腐技术1 6 1 6 2 1 镁及镁合金的表面处理技术1 6 1 6 2 2 调整镁合金的化学成分17 1 6 2 3 耐腐蚀镁基复合材料的开发l7 目录 1 7 本课题研究内容和研究意义1 8 1 7 1 课题研究内容1 8 1 7 2 课题研究意义18 第2 章实验材料及实验方法2 0 2 1 实验材料2 0 2 1 1 基体原材料2 0 2 1 2 增强材料2 0 2 1 2 1m w c n t s 纯化处理工艺2 1 2 1 2 2m w c n t s 表面化学包覆镍处理工艺2 l 2 2 实验方案2 2 2 3 实验方法2 3 2 3 1 碳纳米管孕育块的制备2 3 2 3 2 碳纳米管镁基复合材料的制备2 3 2 3 3 热挤压实验2 4 2 3 4e c a p 变形2 5 2 3 4 1e c a p 变形基本原理2 5 2 3 4 2e c a p 变形模具，2 5 2 3 4 3e c a p 变形工艺2 2 7 2 4 力学性能测试2 9 2 4 1 拉伸实验2 9 2 4 2 显微硬度测试3 0 2 5 样品表征3 0 2 5 1 显微组织观察3 0 2 5 2x 射线衍射分析31 2 5 3 极图的测试3 l 2 5 4 扫描电子显微电镜分析3l 2 5 5 原子力显微镜分析31 2 6 腐蚀性能测试31 2 6 13 5 w t n a c l 溶液浸渍实验31 v i i i 目录 2 6 2 极化曲线测试3 3 第3 章碳纳米管增强镁基复合材料的制备工艺及增强机理3 4 3 1 引。言3 4 3 2 碳纳米管孕肓块制备工艺研究3 5 3 2 1 分散球磨处理时间对碳纳米管在孕育块中分散性的影响3 6 3 2 2 孕肓块中碳纳米管加入量对其分散性的影响3 8 3 3 碳纳米管增强镁基复合材料制备工艺研究3 9 3 3 1 碳纳米管增强镁基复合材料中碳纳米管的分散性3 9 3 3 2 孕育块铸造法制备碳纳米管增强镁基复合材料的工艺特点4 0 3 4 碳纳米管增强镁基复合材料的增强机理分析4 2 3 4 1 碳纳米管增强复合材料中应力传递理论分析4 2 3 4 2 碳纳米管增强复合材料的弹性模量与强度分析。4 5 3 4 2 1 碳纳米管增强复合材料的弹性模量估算4 5 3 4 2 2 碳纳米管增强复合材料的强度估算4 6 3 5 本章小结4 8 第4 章铸态碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料的显微组织及力学性能4 9 4 1 引言4 9 4 2 碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料的显微组织。4 9 4 3 碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料铸态室温力学性能5 3 4 3 1 碳纳米管的加入量对复合材料抗拉强度的影响5 4 4 3 2 碳纳米管的加入量对复合材料延伸率的影响。5 6 4 3 3 碳纳米管的加入量对复合材料弹性模量的影响5 7 4 3 4 碳纳米管的加入量对复合材料显微硬度的影响5 8 4 4 碳纳米管a z 31 镁基复合材料室温拉伸断口形貌分析5 9 4 5 本章小结6 1 第5 章碳纳米管a z 31 镁基复合材料等径角挤压变形6 3 5 1 引言6 3 5 2e c a p 晶粒细化及变形机理6 4 5 3e c a p 变形对碳纳米管a z 31 镁基复合材料显微组织的影响6 5 i x 目录 5 3 1e c a p 变形温度对碳纳米管a z 3 1 复合材料显微组织的影响6 6 5 3 1 1e c a p 变形温度对复合材料宏观形貌的影响6 6 5 3 1 2e c a p 变形温度对复合材料显微组织的影响6 7 5 3 2e c a p 变形中碳纳米管的加入量对复合材料显微组织的影响6 8 5 3 3e c a p 变形模角对复合材料显微组织的影响7 0 5 - 3 4e c a p 变形后复合材料不同截面的显微组织分析7 0 5 3 5e c a p 变形道次对复合材料显微组织的影响7 1 5 4e c a p 变形对碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料室温力学性能的影响7 4 5 4 1e c a p 变形对复合材料显微硬度的影响7 4 5 4 1 1e c a p 变形温度对复合材料显微硬度的影响7 4 5 4 1 2e c a p 变形道次对复合材料显微硬度的影响7 5 5 4 2e c a p 变形对复合材料室温力学性能的影响7 7 5 4 2 1 碳纳米管加入量对e c a p 复合材料室温力学性能的影响7 7 5 4 2 2e c a p 变形道次对复合材料室温力学性能的影响7 8 5 4 2 3e c a p 变形模角对复合材料室温力学性能的影响7 9 5 5e c a p 变形后碳纳米管a z 31 镁基复合材料室温拉伸断口形貌分析8l 5 5 1e c a p 变形后复合材料拉伸断口的宏观形貌分析2 8 l 5 5 2e c a p 挤压变形后复合材料室温拉伸断口的微观形貌分析8 2 5 6e c a p 变形后碳纳米管a z 31 镁基复合材料表面形貌分析8 3 5 7 本章小结8 5 第6 章e c a p 变形碳纳米管a z 3 1 复合材料的织构演变及对力学性能的影响8 7 6 1 引言8 7 6 2 织构的极图表达8 8 6 3e c a p 变形过程中镁合金织构的形成机理8 9 6 4e c a p 变形过程中碳纳米管a z 3 1 复合材料的织构演变9 1 6 4 1 挤压态碳纳米管a z 31 复合材料的织构9 1 6 4 2e c a p 变形后碳纳米管a z 31 复合材料的织构9 2 6 5e c a p 变形碳纳米管a z 3 1 复合材料中的织构演变对力学性能的影响9 4 6 6 本章小结9 7 x 目录 第7 章碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料抗腐蚀性能研究9 9 7 1 引言9 9 7 2 碳纳米管加入量对铸态碳纳米管a z 3 1 复合材料抗腐蚀性能的影响1 0 0 7 2 1 浸渍实验后宏观形貌及腐蚀速率1 0 0 7 2 2 腐蚀介质中的p h 值变化1 0 3 7 2 3 浸渍腐蚀2 4 h 后的复合材料表面微观形貌1 0 4 7 3e c a p 变形道次对碳纳米管a z 3 1 复合材料抗腐蚀性能的影响1 0 5 7 3 1 浸渍实验后宏观形貌及腐蚀速率1 0 5 7 3 2 浸渍腐蚀2 4 h 后的复合材料表面微观形貌10 8 7 4 碳纳米管a z 3 1 镁基复合材料电化学腐蚀1 0 8 7 4 1 铸态条件下碳纳米管a z 31 镁基复合材料的电化学腐蚀1 0 9 7 4 2e c a p 变形后碳纳米管a z 3l 镁基复合材料的电化学腐蚀1 1 2 7 5 碳纳米管a z 31 镁基复合材料抗腐蚀机理分析1 1 3 7 6 本章小结1 1 6 第8 章结论1 l7 本研究的创新点1 2 0 致谢1 2 1 参考文献1 2 3 攻读学位期间的研究成果13 2 x i ， 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 地球上镁的资源储量非常丰富，大约占地壳质量的2 ，占海水质量的 0 1 4 。由于镁又可以回收利用，因此镁被称为是“用之不竭”的金属材料。 镁在工程金属中最显著的特点是比重轻。镁的密度仅为1 7 3 8 9 e m 3 ，约为 钢的2 9 ，铝的2 3 ，钛的2 5 。镁及其合金还具有比刚度、比强度高，抗振性能 好，高导热性、高负电性、抗辐射能力强等一些明显的性能优势，必将发展为 应用十分广泛的金属结构材料和功能材料。 然而，目前在实际工业生产中，镁及其合金并没有得到广泛应用。“在材料 领域中还没有任何一种材料像镁那样，潜力与现实有如此大的颠倒 1 2 j 。其主 要原因是：一方面，由于镁及其合金为密排六方的晶体结构，常温下晶体中只 有( 0 0 0 1 ) 基面上的三个滑移系，因此，塑性变形能力较差。至今主要通过铸造 成形方法来加工产品，而变形加工产品很少。对于金属材料而言，变形产品的 综合力学性能要优于铸造产品，其用途和产量也远远超过铸造产品，而镁及其 合金至今都未能达到这一水平。另一方面，由于镁的活性很高，在大气环境中 就极易在其表面形成一层氧化薄膜，但这层m g o 薄膜不致密，不能起到对基体 保护的作用，因此镁及其合金的耐腐蚀性能较差，镁合金零件的使用寿命很短， 必须进行可靠的表面处理后才能使用。这两大问题是目前镁及其合金得以广泛 应用的最大障碍。 随着汽车工业、航天事业、3 c 产品的飞速发展对轻量化、高效率提出了越 来越高的要求。在金属基复合材料领域，镁基复合材料以其轻质、比强度、比 刚度高、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等特点，在汽车工业、航空、航天、3 c 产品等领域拥有广泛的应用前景p i 。但是与镁基体材料相比，复合材料的塑性更 差，常温下的延伸率一般都在1 0 以下，这使镁基复合材料的应用受到了极大限 制。为了改善镁基复合材料的塑性，通常采用深度塑变技术( s e v e r ep l a s t i c d e f o r m a t i o n ，s p d ) 工艺来细化镁基复合材料的基体晶粒组织1 4 1 。近年来，通过 深度塑变技术( s p d ) 制备块体超细晶结构材料受到越来越多的关注。深度塑性 第1 章绪论 变形技术有着一些无法比拟的优势，它能够避免材料中出现孔洞、杂质等缺陷， 并且能够制备大体积的超细晶金属结构材料1 4 i 。而等径角挤压( e q u a lc h a n n e l a n g u l a rp r e s s i n g ，e c a p ) 工艺由于在实现深度塑性变形时不改变试样的外形尺寸， 从而更容易获得超细晶粒降l 。等径角挤压变形技术( e c a p ) 是一种利用大剪切 变形来细化材料晶粒组织的有效方法，能够获得超细晶结构( 亚微米级甚至纳米 级) ，为提高材料的综合力学性能、发展新材料和改善传统材料性能创造了条件 l 。由于其设备工艺简单，所以得到广泛的应用。它不仅仅可以应用于制备纳米 结构合金，也被应用于改善金属基复合材料的性能f 7 1 。e c a p 变形工艺可以有效 地使增强体均匀化地分布在被加工金属的基体中，可以有效地细化复合材料基 体的晶粒组织，改善其塑性变形性能们。但是，至今为止，其应用仅限于铝基 复合材料，针对镁基复合材料的应用报道很少，特别是对碳纳米管增强镁基复 合材料的加工研究还未见报道。所以，利用等径角挤压变形技术( e c a p ) 来细 化碳纳米管增强镁基复合材料的基体晶粒组织，改善碳纳米管增强相在镁基体 中的分散性，提高复合材料的综合力学性能，丰富e c a p 技术在镁基复合材料中 的应用具有非常重要的实际意义。 1 2 镁基复合材料的研究 1 2 1 镁基复合材料的组成及其界面 镁基复合材料是由镁或镁合金为基体及增强相组成。在目前的研究中，常 用的增强相主要有碳纤维、硼纤维、碳化硅晶须和颗粒、彳f q 短纤维和颗粒等。 对复合材料而言，增强相和基体之间界面的物理和化学特性对其性能起着非常 重要的作用。金属基复合材料力学性能的好坏很大程度上取决于基体和增强相 之间的界面结合状况。为了获得高强度的复合材料，其界面结构的优化和稳定 是基体和增强性能能否充分发挥，获得最佳综合性能的关键。 复合材料的界面是指增强相与基体在复合材料的制备和使用过程中的反应 产物层。包括基体与增强相间扩散结合层，基体与增强相间的成分过渡层，基 体与增强相间的残余应力层，增强相的表面预处理涂层以及基体与增强相间的 间隙等。界面虽然只是基体与增强相间相互结合并能起载荷传递作用的微小区 域，约几个纳米到几个微米，但对复合材料性能的影响极为重要i l 。 2 第1 章绪论 由于镁及其合金的化学活性高，在镁基复合材料中往往导致镁基体与增强 相发生相互作用生成化合物，它可以通过化学腐蚀、界面脆化相的形成以及基 体成分的改变，潜在地削弱界面相，最终影响复合材料的性能。此外，由于基 体