碳纖維編織布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及其滲浸機(jī)制研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)，在交通運(yùn)輸、國(guó)防軍工等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在常規(guī)鑄造復(fù)合條件下，鋁熔體對(duì)碳纖維的潤(rùn)濕能力極差，兩者之間的滲浸過程往往只能在密閉空間內(nèi)通過施加驅(qū)動(dòng)力而進(jìn)行。這使得該類復(fù)合材料的生產(chǎn)受到設(shè)備規(guī)模以及模具尺寸等制備條件的限制，無法大量、廣泛的投入到實(shí)際生活中。為此，本文以平紋碳纖維編織布作為增強(qiáng)相，探究碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在非密閉空間內(nèi)簡(jiǎn)單、高效的生產(chǎn)方法，為實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)

2、用提供新的思路與借鑒。
　　本文針對(duì)十字平紋編織布中碳纖維的特有分布方式，設(shè)計(jì)出一套相應(yīng)的化學(xué)鍍鎳方法對(duì)其進(jìn)行表面金屬化處理，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出兩種碳纖維編織布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的新型制備技術(shù):其一，電磁滲浸復(fù)合技術(shù)。在液態(tài)復(fù)合過程中施加脈沖磁場(chǎng)，使?jié)B浸過程在磁場(chǎng)的強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)作用下完成。并對(duì)熔體的滲浸機(jī)制、后期的強(qiáng)化方法以及合金元素的分布行為等進(jìn)行了系統(tǒng)研究;其二，近固態(tài)鑄軋復(fù)合技術(shù)。在非密閉空間內(nèi)利用軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)提供機(jī)械壓力，強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)正

3、處于凝固階段的近固態(tài)覆蓋層對(duì)碳纖維編織布發(fā)生滲浸行為。并對(duì)界面組織的調(diào)控、雙層纖維的復(fù)合、高硬高強(qiáng)基體的應(yīng)用等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。最后，探討了碳纖維的添加以及制備工藝的優(yōu)化對(duì)復(fù)合材料性能的影響。得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)碳纖維編織布的化學(xué)鍍鎳過程需要鍍液具有極佳的穩(wěn)定性和深鍍能力:20mL/L乳酸的添加能夠通過絡(luò)合反應(yīng)將鍍液中游離態(tài)鎳離子濃度CN12+控制在0.009mol/L，保證鍍層的穩(wěn)定析出時(shí)間超過120min;343K

4、溫度下，pH=4的酸性環(huán)境可以保證鍍層以層片狀的析出方式均勻生長(zhǎng);而分散劑十二烷基苯磺酸鈉的存在則能夠通過靜電作用增強(qiáng)鍍液的深鍍能力，使編織布內(nèi)獲得優(yōu)異表面鍍覆效果的碳纖維比例超過80％。該條件下化學(xué)鍍鎳反應(yīng)的活化能Ea=124.52kJ/mol。獲得的鍍層在空氣中加熱時(shí)會(huì)發(fā)生Ni元素結(jié)晶、Ni-P化合以及Ni-O2氧化三種主要反應(yīng)，而673K保溫60min的處理工藝能夠均衡各反應(yīng)的發(fā)生。該鍍層在電磁滲浸過程中能夠?yàn)樘祭w維提供充分的潤(rùn)濕

5、性，而在鑄軋過程中則可以起到足夠的保護(hù)作用。
　　(2)電磁滲浸復(fù)合技術(shù)中脈沖磁場(chǎng)的引入使熔體對(duì)編織布的滲浸方式由逐層滲浸向梯度同步滲浸轉(zhuǎn)變，滲浸過程除依靠Al-Ni反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行外，還可以憑借電磁力的強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)以及熔體的流動(dòng)沖擊而實(shí)現(xiàn)，滲浸效果得到明顯增強(qiáng)。采用“電磁滲浸復(fù)合+后期熱壓強(qiáng)化(773K，6％下壓量)”方法制備的碳纖維增強(qiáng)Al-Mg(95-5wt.％)基復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度較純基體提升超過33％。而復(fù)合材料在彎曲過程中的

6、失效行為則主要由裂紋增值擴(kuò)展以及結(jié)合界面的脫粘分層所導(dǎo)致。
　　(3)近固態(tài)鑄軋復(fù)合過程中，處于凝固階段的近固態(tài)覆蓋層能夠憑借適宜的自身流動(dòng)性以及合理的外加壓力，在保證碳纖維結(jié)構(gòu)完整、分布穩(wěn)定的情況下，對(duì)其實(shí)現(xiàn)充分滲浸。該滲浸過程中，近固態(tài)組織中的液態(tài)部分為滲浸碳纖維內(nèi)部的主要填充材料，而固態(tài)部分則起到保證滲浸效果的作用。以此方法制備的十字平紋碳纖維編織布增強(qiáng)鋁基復(fù)合板材能夠?qū)崿F(xiàn)二維空間內(nèi)的多角度強(qiáng)化。單層編織布對(duì)工業(yè)純鋁的拉伸強(qiáng)

7、度提升效果達(dá)到50％，彎曲強(qiáng)度提升效果達(dá)到25％。雙層編織布對(duì)彎曲強(qiáng)度的提升效果超過40％。而對(duì)于強(qiáng)度、硬度較高的5083鋁基體，液態(tài)鑄軋復(fù)合方法能夠在鑄軋過程中對(duì)編織布起到充分的保護(hù)作用，使材料彎曲強(qiáng)度提升超過22％。
　　(4)碳纖維與基體界面組織結(jié)構(gòu)的變化能夠?qū)?fù)合材料的強(qiáng)化效果起到顯著影響，在界面由“碳纖維-鍍層（偏聚物）-基體”的間接接觸界面向“碳纖維-基體”的直接接觸界面轉(zhuǎn)變過程中，碳纖維對(duì)鋁基體彎曲強(qiáng)度的增強(qiáng)效果由2

8、9MPa提升至37MPa。而在電磁滲浸復(fù)合過程中對(duì)澆鑄溫度(993K-1103K)、保溫時(shí)間(300s-400s)的控制，以及在近固態(tài)鑄軋復(fù)合過程中采用的浸泡預(yù)處理(1073K、30s)、后期保溫處理(750K，150min)，均能夠有效促進(jìn)鍍層（偏聚物）的擴(kuò)散，對(duì)復(fù)合界面的組織結(jié)構(gòu)起到有效調(diào)控。
　　(5)在復(fù)合材料的制備過程中，合金元素的行為及分布同時(shí)受到其自身屬性以及制備條件兩方面的影響:自身屬性方面，Cu元素多以Al2Cu