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

Al基復合材料（AMMCs）具有密度低、抗拉強度高、彈性模量大、耐磨性好、抗蠕變性能好等優(yōu)點，可用于汽車、航空航天等行業(yè)，減輕重量，提高可靠性，受到學術界和工業(yè)界的高度關注。在復合材料的設計和制造中，具有優(yōu)良性能的增強材料的使用對復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，理論計算和實驗測量表明，碳納米管具有優(yōu)良的綜合性能，如低密度、超高強度、mega Young 's模量以及高導熱和導電性。因此，CNTs被認為是制造ammc的理想增強材料之一，具有較高的機械性能和功能性能。

在過去的20年里，許多研究報道了CNTs在Al基體與CNTs之間的分散和界面結合，旨在開發(fā)CNTs在AMMCs[8]中的強化作用。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現(xiàn)CNTs的均勻分散，又能保留CNTs的原始結構，在Al/CNTs復合材料制備中得到廣泛應用。Jiang等人研究發(fā)現(xiàn)，通過片狀粉末冶金，2 vol.%的CNTs可以均勻分布在整個al基體中，而結構損傷可以忽略。為了加強Al基體與CNTs之間的界面結合，已經發(fā)展了一些有效的剪裁界面結構的方法，即在Al基體與CNTs之間原位形成Al4C3、CNTs涂層和CNTs腐蝕。例如，Zhang等人驗證了在CNTs表面覆蓋原位形成的SiC層，使1 vol.% CNTs增強的復合材料的抗拉強度提高達到50 MPa。然而，盡管進行了大量的研究，Al/CNTs復合材料的力學性能仍然遠遠低于一些工業(yè)上使用的時效Al合金，如AA7075-T6合金。Al/CNTs復合材料的力學性能有待進一步提高。

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

在此，暨南大學郭柏松教授團隊通過SPS和隨后的高應變率熱軋成功制備了含有高密度層錯的Al/CNTs復合材料，系統(tǒng)研究了CNTs含量對Al/CNTs復合材料顯微組織的演變及其對力學性能的影響，結合CNTs的均勻分散和Al-CNTs良好界面結合，有效地發(fā)揮了CNTs的強化效果，1 vol.% CNTs增強鋁基復合材料的抗拉強度（378±8 MPa）和延展性（17.1±1.5%）最高。研究結果為CNTs增強金屬基復合材料力學性能的改善提供了理論依據(jù)。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836821000421#!

制備的Al/CNTs復合材料會形成層錯，隨著CNTs含量的增加，復合材料的密度增大。在所制備的3種Al/CNTs復合材料中，1.0 vol.% CNTs增強的復合材料力學性能最好，具有較高的強度和良好的延性，但獲得的強度仍低于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)計長度。（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)計長度。%碳納米管，al - 0.75卷。% CNTs和Al-1.0 vol.% CNTs混合粉末。

圖2 所制備復合材料的歸一化XRD和Raman結果。（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復合材料的微觀結構信息（a）亮場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)計結果。

隨著CNTs含量的增加，晶粒細化、Orowan環(huán)化、載荷轉移和層錯對試驗提高的屈服強度的貢獻均單調增大，從而獲得更好的力學性能。CNTs彌散均勻、Al-CNTs界面結合良好以及層錯的存在是復合材料延性好的主要原因。

圖4 TEM和EBSD表征Al@0.75CNTs復合材料的微觀結構信息（a）亮視場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，（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)計結果的粒度矩陣。

圖5 TEM和EBSD技術揭示Al@1.0CNTs復合材料的微觀結構信息。（a）亮視場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，（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)計結果的粒度矩陣。

圖6本理論計算中采用的原子結構示意圖。（a） Al （111）/CNTs（0001）所構建結構的投影圖，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復合材料與純Al的密度和力學性能（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)計結果。

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

圖11 基于所涉及加固機理的理論計算結果。（a）不同強化機制的強化優(yōu)勢；（b） CNTs和疊加斷層對強度的貢獻。