本文使用化学共沉积法制备了包覆氧化镁的碳纳米管(MgO coated CNTs,MgO@CNTs),研究了原始CNTs和预处理CNTs(MgO@CNTs)的微观结构。采用粉末冶金法将两种相同含量(1 wt.%)的增强体(CNTs、MgO@CNTs)添加到纯镁基体中,制备了碳纳米管增强的镁基复合材料(Mg-CNTs、Mg-MgO@CNTs)。研究了两种复合材料的微观组织(晶粒尺寸、分布等)和力学性能(屈服强度、显微硬度)的影响,并初步探索了不连续增强体引起的细晶和粗晶组成的多级微观结构组织特征以及改性后的碳纳米管(MgO@CNTs)和镁基体界面调控的影响。同时,采用第一性原理计算对镁基复合材料的分离功等进行计算和分析。本文得到的主要结论概况如下:(1)采用化学共沉积法可实现在碳纳米管表面包覆MgO纳米颗粒,其包覆机理是,先借助强混合酸在碳纳米管表面引入大量的羧基官能团,添加Mg2+(氯化镁)后,发生络合反应,Mg2+被吸附到碳管表面。当再加入氨水后,会在碳管表面生产氢氧化镁沉淀,并覆盖在碳管表而,最后通过高温烧结,获得包覆氧化镁碳纳米管。经XRD表征发现,MgO@CNTs比原始CNTs的谱线更为光滑,表明MgO@CNTs的有序程度大大提升,提高了 CNTs的表面粗糙度,有利于提高界而结合质量。(2)两种碳纳米管都可有效细化纯镁基体的晶粒组织。1wt.%Mg-CNTs复合材料烧结态的平均晶粒尺寸大小为84.84±5.34μm,挤压态为34.76±2.31μm。1 wt.%Mg-MgO@CNTs复合材料烧结态的平均晶粒尺寸大小为59.29±4.19μm,挤压态为19.79±1.89μm。相对于基体的纯镁粉末尺寸150 μm,复合材料均有明显的细化作用,但MgO@CNTs细化效果更明显。其原因是包覆MgO后的碳纳米管可以在基体动态再结晶过程中提供更多的异质形核点,形成更多的小晶粒进而细化晶粒。同时,MgO@CNTs的加入明显改善基体的孔洞缺陷,提高了复合材料的密度、致密度和硬度。(3)初步探索了两种复合材料的微观组织结构,发现两种组织中都存在精晶区域(白色区域)和细晶区域(黑色区域)。以及结合X射线能谱面扫图发现CNTs/Mg复合材料的粗晶区域主要是纯镁组成,细晶区域主要是碳纳米管和纯镁的混合组分交织分布在一起组成,且粗细晶区域分布不均匀,整体表现为多级结构的特征。经计算得Mg-CNTs复合材料多级结构中细晶区域占比是18.7%,Mg-MgO@CNTs复合材料多级结构中细晶区域占比是59.6%,进一步说明MgO@CNTs增强体细化能力更强。(4)发现两种复合材料多级结构中粗细晶区域的硬度存在较大的差别。在Mg-CNTs复合材料烧结态粗晶区域其硬度值为57.91 ±3.21 HV,细晶区域为86.73±4.98 HV。而在Mg-MgO@CNTs复合材料烧结态粗晶区域硬度值为72.94±4.32 HV,细晶区域为90.11±5.82 HV。对比可知,加入MgO@CNTs的复合材料烧结态粗晶区域相对于加入CNTs烧结态的硬度值提高了 25.9%,细晶区域的硬度值提高了 3.9%。另外,Mg-CNTs和Mg-MgO@CNTs复合材料挤压态粗细晶区域硬度值对比趋势与烧结态类似。拉伸试验测试结果显示:Mg-CNTs和Mg-MgO@CNTs复合材料的屈服强度分别为78.5±2.3 MPa和202.1±3.4MPa,与基体(57.4±2.5 MPa)相比,分别提高了 36.8%和251.9%。复合材料屈服强度提高的原因是细晶强化、应力转移等作用使得具有超强力学性能的碳管得以发挥,力学性能提高显著。(5)氧化镁可有效提高碳管和镁基体的界面结合。经透射电镜表征分析,得出嵌入在镁基体中的包覆MgO碳纳米管与镁基体形成了错配度为12.8%的半共格界面。同时发现,碳纳米管主要分布在细晶区、晶界和晶粒内部。结合Mg/MgO/CNTs界面第一性原理计算结果,发现,在碳管和镁基体之间由于氧原子的存在,使得界面分离功由0.93 J/m2增长到4.70 J/m2,表明氧的存在使得界面结合更为紧密。这与实验结果MgO有效提高碳管/镁界面结合相吻合。