铝基复合材料中碳纳米管的晶内分散及其力学性能提升研究

本文设计了一种重复变形球磨(RDBM)新工艺，通过调控铝(Al)基复合粉末的冷焊现象，成功实现了碳纳米管(CNTs)在晶内的均匀分散。相比传统球磨(BM)工艺，RDBM使晶内CNTs含量提升41.6%，制备的CNTs/Al复合材料同时获得强度与塑性的协同提升。通过系统的微观结构表征、理论强度计算和加载-卸载-再加载实验，揭示了晶内CNTs的强化机制。该研究为突破金属基复合材料(MMCs)强度-塑性倒置困境提供了新策略。

　　

Highlight亮点

本研究设计的重复变形球磨(RDBM)工艺，通过分阶段添加硬脂酸(C₁₈H₃₆O₂)调控冷焊过程，使碳纳米管(CNTs)在铝(Al)基体中获得更高含量的晶内分散。与传统球磨(BM)相比，RDBM工艺使晶内CNTs含量显著提升41.6%，为开发高性能金属基复合材料(MMCs)提供了创新解决方案。

Structure and distribution of CNTs in ball-milled CNTs/Al powders

球磨CNTs/Al粉末中碳纳米管的结构与分布

通过ZrO₂球磨罐高能球磨制备的多壁碳纳米管(MWCNTs)/Al复合粉末，展现出从大片状→小颗粒→大颗粒的形态演变规律。二次添加硬脂酸后，粉末重新经历塑性变形，使CNTs更深入Al基体晶粒内部。透射电镜(TEM)显示，RDBM46h样品中CNTs呈现典型的晶内分布特征。

Microstructure variation during the RDBM process

RDBM过程中的微观结构演变

在设计的RDBM工艺中，CNTs/Al复合粉末经历了两次塑性变形循环。首次变形(BM28h)后，CNTs主要分布在晶界；而第二次变形(RDBM46h)促使更多CNTs进入晶粒内部。这种"粉末片状化-冷焊-再片状化"的循环过程，有效延长了球磨作用时间，同时避免了过度冷焊现象。

Conclusions结论

本研究开发的RDBM工艺，在传统球磨基础上通过重复塑性变形显著提高了晶内CNTs含量。所制备的CNTs/Al复合材料展现出优异的强度-塑性匹配，其强化机制主要源于：1)晶内CNTs对位错运动的阻碍作用；2)CNTs与Al基体间良好的界面结合；3)细晶强化效应。该工艺为开发高性能金属基复合材料提供了新思路。