热挤压机在后处理阶段施加强塑性变形，从根本上改变复合材料的微观结构。这种机械力会分解残留的碳纳米管团簇，使其沿挤压轴对齐，并触发动态再结晶，从而显著细化镁晶粒结构。
热挤压的核心价值在于将无序、粗大的微观结构转化为高度有序的微观结构。通过同时对齐纳米管和细化晶粒，该工艺克服了镁合金固有的局限性，从而提高了强度和延展性。
微观结构增强机制
分解团簇
增强复合材料的主要挑战在于碳纳米管容易结块。热挤压机提供的强塑性变形起到了高剪切混合器的作用。
这种机械力会物理性地断裂这些团簇。它确保纳米管在镁基体中单独分散，而不是保持无效的束状。
实现定向对齐
在铸态下，纳米管是随机取向的。热挤压迫使材料通过模具，产生强大的定向流动。
这种流动迫使碳纳米管旋转并沿挤压方向对齐。这形成了一个增强的结构，其中纳米管的定位能够最大限度地抵抗沿纵向的拉伸载荷。
通过再结晶细化晶粒
该工艺涉及热量和变形能。这种特定的组合触发了称为动态再结晶的现象。
旧的、粗大的镁晶粒被消耗，并被新的、无应力的、尺寸显著减小的晶粒取代。更细的晶粒尺寸会阻碍位错运动，这直接有助于材料强度的提高。
克服材料限制
解决各向同性弱点
标准镁合金通常存在各向同性限制，即性能均匀但未针对特定载荷进行优化。
热挤压引入了有利的各向异性。通过对微观结构进行对齐，该机器能够根据使用方向定制复合材料以承受更高的应力，从而超越非挤压合金的能力。
强度-延展性协同作用
通常，提高强度的加工方法会降低延展性（变脆）。然而，热挤压工艺实现了罕见的双重效益。
纳米管的对齐提高了拉伸强度，而晶粒细化则保持甚至提高了延展性。这使得复合材料更坚韧、更具弹性。
理解权衡
横向性能下降
虽然沿挤压方向的纳米管对齐可以提高强度，但通常会在横向方向上产生权衡。
垂直于挤压方向的性能可能低于纵向方向的性能。在最终部件设计中必须考虑这种各向异性。
纳米管损坏的可能性
分解团簇所需的剪切力如果控制不当，可能会过大。
如果变形过于剧烈，可能会缩短或损坏碳纳米管。这会降低它们的纵横比并削弱它们的增强效率。
根据目标做出正确选择
要有效地利用热挤压，您必须根据具体的机械要求来平衡加工参数。
- 如果您的主要关注点是最大拉伸强度：优先考虑更高的挤压比，以最大限度地提高碳纳米管沿主要承载轴的对齐度。
- 如果您的主要关注点是均匀延展性：仔细控制挤压温度，以确保完全动态再结晶，而不会引起过度晶粒生长。
热挤压是将原材料复合混合物转化为高性能结构材料的关键桥梁。
总结表：
| 机制 | 对微观结构的影响 | 机械效益 |
|---|---|---|
| 分解团簇 | 将碳纳米管团簇分解为单独分散体 | 消除薄弱点并提高增强效率 |
| 定向对齐 | 将纳米管沿挤压轴旋转 | 最大限度地提高纵向拉伸强度 |
| 动态再结晶 | 用细小的无应力晶粒取代粗大晶粒 | 提高屈服强度同时保持延展性 |
| 强变形 | 诱导有利的各向异性 | 根据特定的定向载荷定制材料性能 |
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参考文献
- Gaurav Upadhyay, D. Buddhi. Development of Carbon Nanotube (CNT)-Reinforced Mg Alloys: Fabrication Routes and Mechanical Properties. DOI: 10.3390/met12081392
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
