摘要
随着现代工业的快速发展，对于铝合金的力学性能和功能特性提出了新的要求与挑战，尽可能满足航空航天、海洋装备、武器装备、汽车工业、信息技术等诸多领域的需求。因而，迫切期望制得一种轻质、高强度、高塑性，同时兼具良好导热性能的结构-功能一体化铝基复合材料。石墨烯纳米片（GNPs）因其高抗拉强度、高导热的优异性能被认为是理想增强体，其增强的铝基复合材料具有高强度、高导热性能，然而，塑韧性却明显下降。原位纳米ZrB2颗粒因其热力学稳定的陶瓷相，表面洁净，与基体界面结合好，且弥散分布，制备的原位纳米ZrB2颗粒增强铝基复合材料具有高强度、高塑性的特点，是提高铝基复合材料强度与塑性的有效方法，但由于陶瓷颗粒的引入，其导热性能略有下降。本论文设计并制备了一种GNPs与原位纳米ZrB2颗粒协同增强的非连续层状结构的GNPs-ZrB2/AA6111复合材料。研究了GNPs与ZrB2纳米颗粒协同作用对复合材料微观组织、显微结构的影响规律，分析了热轧变形量、GNPs含量对复合材料微观组织的演变、力学性能、导热性能的影响，揭示了增强体GNPs与ZrB2纳米颗粒协同强韧化机理，以及非连续层状结构的位错强化机理，并建立了相关模型。主要结论如下： 复合材料的组织特征：GNPs-ZrB2/AA6111复合材料微观组织呈非连续层状结构，热轧变形使铸态下随机分布在晶界内的GNPs沿轧制方向平行于轧制面定向分布，与分布在GNPs两侧区域的ZrB2纳米颗粒构成非连续层状强化结构。GNPs的尺寸均小于5μm，ZrB2纳米颗粒的平均尺寸为30nm。GNPs与ZrB2颗粒对基体晶粒都有细化作用，增强体与铝基体的界面得到了强化，包括GNPs与Al基体之间的非晶氧化铝界面强化、GNPs表面生成的Al2Cu颗粒的钉扎作用，ZrB2纳米颗粒与Al基体之间的半共格界面强化。 热轧变形量与GNPs含量对GNPs-ZrB2/AA6111复合材料微观组织演变的影响规律：随着热轧变形量的增加（75%～92%），复合材料RD-ND面内ZrB2颗粒团簇与GNPs的尺寸都逐渐减小，呈条带状分布的趋势更加显著，且α-Al晶粒被细化，平均晶粒尺寸从7.1μm减小至4.3μm，织构从简单逐渐变得复杂。热轧变形量83%时，复合材料处于相对最稳定的状态，再结晶程度最高，HAGBs含量最高为51.8%，位错密度最低为5.0×1015m-2。随着GNPs含量增多，GNPs尺寸减小并分布越均匀分散，复合材料的层间距减小，平均晶粒尺寸减小，此外，高角度晶界减少，亚晶数量减少，形变晶粒增多，位错密度增大。 GNPs和ZrB2颗粒对动态回复、动态再结晶的影响：弥散的ZrB2纳米颗粒位于晶内，则对位错的滑移起到阻碍作用，阻碍回复过程。分布在晶界的ZrB2颗粒团簇，或者大片的GNPs，则会在外力的作用下，在颗粒团簇附近产生位错塞积群，加速回复过程。分布在晶界的GNPs和ZrB2颗粒团簇在形变时能提高位错储存能，增大结晶迁移驱动力。GNPs和ZrB2颗粒团簇促进动态再结晶（DRX）形核和长大，但弥散的ZrB2纳米颗粒由于钉扎位错对DRX有抑制作用。 GNPs-ZrB2/AA6111复合材料的力学性能，以及变形量、GNPs含量对复合材料力学性能的影响规律：0.1wt%的GNPs与3wt%的ZrB2纳米颗粒协同增强的变形量83%的GNPs-ZrB2/AA6111复合材料UTS得到了显著提高，达到了426MPa，比AA6111铝基体高33.5%，且伸长率保持在15.4%。GNPs-ZrB2/AA6111复合材料的YS和UTS随着变形量（75%～92%）的增加而提高，但在形变83%时获得最高的El，即具有最好的塑性。变形量83%的GNPs-ZrB2/AA6111复合材料的YS和UTS在GNPs含量0.3wt%时最高，但伸长率随着GNPs含量（0.1wt%～0.5wt%）的增加而持续降低。 GNPs与ZrB2颗粒的协同强韧化机理：由于ZrB2、Al2Cu颗粒的钉扎强化，以及非晶氧化铝界面强化，提高了GNPs与Al基体之间界面结合强度。结合复合材料的四种主要强化机制，分别估算了细晶强化、CTE强化、Orowan强化、载荷传递强化的贡献。结果表明，GNPs主要起到载荷传递的作用，ZrB2颗粒主要起到Orowan强化作用，GNPs与ZrB2颗粒引起的CTE强化和细晶强化均相对较小。通过提高应变硬化强度，增加位错储存能力，减少应力集中等进而起到韧化效果。 非连续层状结构诱导的位错强化机理转变：GNPs-ZrB2/AA6111复合材料在92%变形量热轧后出现了典型的非连续的层状结构，其中局部区域呈现出纳米层状结构。由于GNPs的引入，在形成的GNP-Al-GNP三明治纳米层状结构中，GNPs约束位错在层内滑移，位错运动机制从位错穿过机制转换为位错被约束在层内滑移机制，使位错密度大幅提高。在GNPs与ZrB2的协同作用下，GNPs诱导的CLS位错与弥散ZrB2颗粒诱导的钉扎位错一起形成三维位错网络，大幅度减少了长晶粒内部的应力集中，同时增加了位错储存能，提高了位错强韧化能力。 复合材料的导热性能：GNPs-ZrB2/AA6111复合材料的轧制面内热导率相对于基体AA6111得到了提高，且轧制面内热导率均大于穿过轧制面的热导率，因为平行于轧制面的二维GNPs提高面内热导率的作用大于ZrB2颗粒的阻碍作用。复合材料的面内热导率随着变形量的增加而增加。GNPs与ZrB2含量较优的配比为，0.5wt%的GNPs与1wt%的ZrB2，其协同增强的复合材料面内热导率达到240.481W/m·K，极限抗拉强度为435MPa，伸长率为12.0%，既有相对高的热导率，又能保证高强度与高塑性。同时获得了GNPs对GNPs-ZrB2/AA6111复合材料热导率的影响规律，GNPs结晶度越高、GNPs的分散程度越好、GNPs与轧制面的平行排列程度越高、GNPs与Al基体的界面结合强度越高，则越有助于提高复合材料的热导率。
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