镁合金等轻质金属基纳米复合材料作为结构材料由于具有低密度、高比强度和比刚度因而在航空航天、汽车等行业具有潜在的应用趋势,其力学性能和失效机制不仅与宏观性能有关,也与组分相的性能、增强相的形状与尺度、分布以及增强相与基体之间的界面特性等细观结构特征密切相关。为了促进轻质金属基纳米复合材料的优化设计和应用,有必要采用多尺度方法研究其细观结构与宏细观力学性能之间的关系。本文主要通过多尺度实验和数值模拟方法,研究碳纳米管和纳米碳化硅颗粒混杂增强AZ91镁合金基复合材料的微纳观结构、微纳观结构对复合材料高温蠕变性能和高温蠕变本构以及界面力学性能的影响规律,进而分析纳米增强体对复合材料的增强作用机理。在宏观上通过实验研究镁合金纳米复合材料的微纳观结构与高温蠕变力学性能。选取AZ91镁合金作为基体,将经过表面镍锌镀层修饰和质量分数为1%的碳纳米管、经过表面镍镀层修饰和质量分数为2.23%的纳米碳化硅颗粒作为混杂增强相,通过超声分散与半固态机械搅拌铸造以及后续热挤压的方法制备纳米混杂增强镁基复合材料。通过X射线衍射(XRD)、金相显微镜、高分辨率扫描电镜及透射电镜分析等手段表征纳米增强体的表面改性效果及镁合金纳米复合材料微纳结构,采用常温拉伸力学性能仪和高温蠕变力学性能仪实验研究镁合金纳米复合材料的常温以及高温蠕变力学性能,最终拟合出该纳米复合材料的蠕变本构方程及其与影响参数之间的关系,并从实验上探讨了镁合金纳米复合材料具有优良力学性能的原因。在微观尺度上建立增强体方向按维布尔分布的单胞模型,通过有限元方法,模拟镁基混杂复合材料的高温蠕变行为,得出考虑热残余应力与蠕变温度等因素耦合影响的有关应力、应变率、温度、增强体混杂比之间关系的蠕变本构方程。可以看出增强体有显著降低基体蠕变应变率、改善抗高温蠕变性能的作用,通过有限元法得到的蠕变本构方程可以对复合材料蠕变行为及其影响因素之间的关系进行预测。在纳观尺度上建立考虑界面的镁基纳米复合材料原子模型,通过分子动力学方法研究碳纳米管直径、手性参数及其表面修饰镍原子过渡层对镁基复合材料界面结合强度以及镁基复合材料弹性模量的影响规律。经过计算证明碳纳米管直径越细,界面强度越大,弹性模量也越大；含有镍原子层越多,弹性模量越大,界面强度也越大。多尺度的实验和数值模拟研究表明,镁合金纳米复合材料力学性能的强化主要归因于纳米混杂体的复合强化、基体与纳米增强体的热胀失配强化、弥散强化、细晶强化几种强化机理共同作用的结果。
