導(dǎo)讀：采用放電等離子燒結(jié)（SPS）和高應(yīng)變率熱軋工藝成功制備了含有高密度層錯(cuò)的碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管的加入促進(jìn)了鋁基體層錯(cuò)的形成。隨著CNTs從0.5 vol.%增加到1.0 vol.%， CNTs的層錯(cuò)密度增大，這主要是由于Al基體的層錯(cuò)能降低所致。結(jié)合CNTs的均勻分散和Al-CNTs良好界面結(jié)合，有效地發(fā)揮了CNTs的強(qiáng)化效果，1 vol.% CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度（378±8 MPa）和延展性（17.1±1.5%）最高。研究結(jié)果為CNTs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的改善提供了理論依據(jù)。

Al基復(fù)合材料（AMMCs）具有密度低、抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大、耐磨性好、抗蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn)，可用于汽車、航空航天等行業(yè)，減輕重量，提高可靠性，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制造中，具有優(yōu)良性能的增強(qiáng)材料的使用對(duì)復(fù)合材料的最終性能起著決定性的作用。自1991年發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNTs）以來(lái)，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，碳納米管具有優(yōu)良的綜合性能，如低密度、超高強(qiáng)度、mega Young 's模量以及高導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。因此，CNTs被認(rèn)為是制造ammc的理想增強(qiáng)材料之一，具有較高的機(jī)械性能和功能性能。

在過(guò)去的20年里，許多研究報(bào)道了CNTs在Al基體與CNTs之間的分散和界面結(jié)合，旨在開(kāi)發(fā)CNTs在AMMCs[8]中的強(qiáng)化作用。目前已發(fā)展出多種納米炭分散方法，包括高能球磨、攪拌摩擦處理、溶液球磨和片狀粉末冶金。其中，片狀粉末冶金既能實(shí)現(xiàn)CNTs的均勻分散，又能保留CNTs的原始結(jié)構(gòu)，在Al/CNTs復(fù)合材料制備中得到廣泛應(yīng)用。Jiang等人研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)片狀粉末冶金，2 vol.%的CNTs可以均勻分布在整個(gè)al基體中，而結(jié)構(gòu)損傷可以忽略。為了加強(qiáng)Al基體與CNTs之間的界面結(jié)合，已經(jīng)發(fā)展了一些有效的剪裁界面結(jié)構(gòu)的方法，即在Al基體與CNTs之間原位形成Al4C3、CNTs涂層和CNTs腐蝕。例如，Zhang等人驗(yàn)證了在CNTs表面覆蓋原位形成的SiC層，使1 vol.% CNTs增強(qiáng)的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高達(dá)到50 MPa。然而，盡管進(jìn)行了大量的研究，Al/CNTs復(fù)合材料的力學(xué)性能仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一些工業(yè)上使用的時(shí)效Al合金，如AA7075-T6合金。Al/CNTs復(fù)合材料的力學(xué)性能有待進(jìn)一步提高。

有研究表明，對(duì)于具有相對(duì)較低的層錯(cuò)能（SFE）的純金屬或合金，層錯(cuò)（SF）和納米孿晶有助于獲得較高的強(qiáng)度和良好的延展性。研究發(fā)現(xiàn)，納米孿晶或?qū)渝e(cuò)能提高材料的應(yīng)變硬化能力，延緩縮頸和斷裂，從而改善材料的力學(xué)性能。然而，純鋁或鋁合金由于其固有的高SFE （γsf =120-144 mJm -2），很難形成層錯(cuò)或納米孿晶。最近，Li等報(bào)道了納米SiC顆粒的摻入可以促進(jìn)Al基層錯(cuò)的形成，他們將層錯(cuò)的形成歸因于Al基復(fù)合材料中高密度的納米界面。然而，在Al/CNTs復(fù)合材料中，層錯(cuò)的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。

在此，暨南大學(xué)郭柏松教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)SPS和隨后的高應(yīng)變率熱軋成功制備了含有高密度層錯(cuò)的Al/CNTs復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了CNTs含量對(duì)Al/CNTs復(fù)合材料顯微組織的演變及其對(duì)力學(xué)性能的影響，結(jié)合CNTs的均勻分散和Al-CNTs良好界面結(jié)合，有效地發(fā)揮了CNTs的強(qiáng)化效果，1 vol.% CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度（378±8 MPa）和延展性（17.1±1.5%）最高。研究結(jié)果為CNTs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的改善提供了理論依據(jù)。

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制備的Al/CNTs復(fù)合材料會(huì)形成層錯(cuò)，隨著CNTs含量的增加，復(fù)合材料的密度增大。在所制備的3種Al/CNTs復(fù)合材料中，1.0 vol.% CNTs增強(qiáng)的復(fù)合材料力學(xué)性能最好，具有較高的強(qiáng)度和良好的延性，但獲得的強(qiáng)度仍低于AA7075-T6合金。

圖1原始Al粉末、純化的CNTs、Al-CNTs混合粉末的形貌以及CNTs的統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度。（a）原Al粉末，（b）純化的CNTs， （c,f） Al-1.0 vol.% CNTs混合粉末，（d,e） Al-0.5 vol.% CNTs和Al-0.75vol. CNTs。% CNTs混合粉末。（g-i） Al-0.5vol中CNTs的統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度。%碳納米管，al - 0.75卷。% CNTs和Al-1.0 vol.% CNTs混合粉末。

圖2 所制備復(fù)合材料的歸一化XRD和Raman結(jié)果。（a） XRD譜圖，（b）拉曼光譜。純化后的CNTs的拉曼光譜也可以作為參考。

圖3 TEM和EBSD表征Al@0.5CNTs復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)信息（a）亮場(chǎng)TEM圖像，（b） （a）紅矩形區(qū)域高分辨率TEM圖像，（c） EBSD逆極圖（IPF）， （d） Al基體晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

隨著CNTs含量的增加，晶粒細(xì)化、Orowan環(huán)化、載荷轉(zhuǎn)移和層錯(cuò)對(duì)試驗(yàn)提高的屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)均單調(diào)增大，從而獲得更好的力學(xué)性能。CNTs彌散均勻、Al-CNTs界面結(jié)合良好以及層錯(cuò)的存在是復(fù)合材料延性好的主要原因。

圖4 TEM和EBSD表征Al@0.75CNTs復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)信息（a）亮視場(chǎng)TEM圖像，（b）高分辨率透射電鏡圖像的紅色矩形區(qū)域（a）， （c）高分辨率透射電鏡圖像形成的堆垛層錯(cuò)，（d）逆快速傅里葉變換（傳輸線）圖像的綠色虛線矩形（c）， （e） EBSD反極圖（IPF）， （f）統(tǒng)計(jì)結(jié)果的粒度矩陣。

圖5 TEM和EBSD技術(shù)揭示Al@1.0CNTs復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)信息。（a）亮視場(chǎng)TEM圖像，（b）高分辨率透射電鏡圖像的矩形區(qū)域（a）， （c）高分辨率透射電鏡的形象形成的堆垛層錯(cuò)，（d）逆快速傅里葉變換（傳輸線）圖像的綠色虛線矩形（c）， （e） EBSD反極圖（IPF）， （f）統(tǒng)計(jì)結(jié)果的粒度矩陣。

圖6本理論計(jì)算中采用的原子結(jié)構(gòu)示意圖。（a） Al （111）/CNTs（0001）所構(gòu)建結(jié)構(gòu)的投影圖，其中紫色球代表Al原子，灰色球代表C原子，（b） Al/CNTs界面Al和C原子的最佳原子比。

圖8制備的Al/CNTs復(fù)合材料與純Al的密度和力學(xué)性能（a）密度，（b）硬度，（b）拉伸曲線，（d）楊氏模量。

圖9 純鋁晶粒尺寸信息（a） EBSD逆極圖（IPF）， （b）晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖10 Al@1.0CNTs復(fù)合材料破壞面觀測(cè)。（a）低倍率和（b）高倍率SEM圖像。

圖11 基于所涉及加固機(jī)理的理論計(jì)算結(jié)果。（a）不同強(qiáng)化機(jī)制的強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)；（b） CNTs和疊加斷層對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。