涂層碳纖維鎂基復(fù)合材料的界面控制.pdf

1、碳纖維增強鎂基復(fù)合材料(C/Mg復(fù)合材料),具有密度低、比強度、比模量高、熱膨脹系數(shù)可以接近于零、在較大溫度范圍內(nèi)具有很好的尺寸穩(wěn)定性等突出的特性,在航空、航天、國防等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用背景。然而 C/Mg復(fù)合材料體系本身的一些特性因素制約了它的發(fā)展,主要包括(1)碳纖維和鎂基體不潤濕給C/Mg復(fù)合材料的制備造成很大困難;(2)嚴重界面反應(yīng)使得 C/Mg復(fù)合材料無法獲得理想的界面結(jié)合狀態(tài),同樣制約著復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　本文

2、通過對 C/Mg復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的理論分析,制備工藝及界面的優(yōu)化設(shè)計,成功制備出碳纖維增強鎂基復(fù)合材料,并對其微觀組織結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)層的形成規(guī)律及機理和力學(xué)性能進行了系統(tǒng)的研究;揭示了不同纖維涂層造成的界面反應(yīng)產(chǎn)物對界面結(jié)構(gòu)和斷裂行為的影響規(guī)律,并在TiO2涂層C/Mg復(fù)合材料中實現(xiàn)了設(shè)計的新界面結(jié)構(gòu);在此基礎(chǔ)上,研究了基體中鋁含量以及涂層厚度對新界面結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響規(guī)律,初步探討了TiO2涂層C/Mg復(fù)合材料的界面形成機制及其斷裂

3、行為。
　　為了實現(xiàn) C/Mg復(fù)合材料的理想界面結(jié)合,本文提出了一個具體的界面結(jié)構(gòu):微反應(yīng)層界面結(jié)構(gòu)來獲得適度界面結(jié)合的狀態(tài)。在這個結(jié)構(gòu)中,首先碳纖維周圍存在一層擴散阻擋層以保護碳纖維不受基體合金的反應(yīng)侵蝕而造成力學(xué)性能下降。其次,涂層材料和鎂基體之間反應(yīng)產(chǎn)物不是以有針狀界面相存在,而是以極薄的納米級厚度反應(yīng)物層的形式存在于界面區(qū)域,這樣可以避免針狀界面產(chǎn)物在界面區(qū)域造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致整體復(fù)合材料力學(xué)性能急劇下降的現(xiàn)象。
　

4、　本文通過溶膠凝膠法實現(xiàn)碳纖維表面MgO,SiO2和TiO2涂層的涂敷,通過控制溶膠、涂膠過程、燒結(jié)過程可以實現(xiàn)連續(xù)、厚度均勻、無突起、不開裂的纖維涂層。SiO2和TiO2等潤濕涂層能夠顯著降低 C/Mg復(fù)合材料的浸滲壓力。采用具有規(guī)則球形外形的空心微珠作為混雜顆粒,在降低浸滲壓力的同時又提高了碳纖維的分散均勻性。
　　MgO涂層不能改善碳纖維和鎂之間的潤濕問題,所制備的涂層C/Mg復(fù)合材料中很容易生成明顯的浸滲缺陷,其彎曲模量和

5、彎曲強度分別為86GPa和643MPa;SiO2涂層改善了C/Mg的潤濕性,復(fù)合材料的彎曲模量提高到116GPa,但由于SiO2涂層和鎂基體之間的界面反應(yīng)嚴重,在碳纖維周圍生成大量的針狀界面相,其彎曲強度為676MPa,沒有顯著提高。TiO2涂層 C/Mg復(fù)合材料的界面潔凈,未發(fā)現(xiàn)針織界面產(chǎn)物,其彎曲力學(xué)性能顯著提高,彎曲模量和彎曲強度分別提高到132GPa和1009MPa。TEM分析結(jié)果表明,TiO2涂層和鎂基體的反應(yīng)產(chǎn)物并沒有以顆粒

6、或者針狀的形式聚集在界面區(qū)域,而是以一層20-30nm界面反應(yīng)層的形式存在于界面區(qū)域。這是因為Ti和Mg之間不互溶也不反應(yīng),因此被基體Mg置換出的單質(zhì)Ti不會和Mg生成金屬間化合物,由界面反應(yīng)產(chǎn)物Ti和MgO組成的反應(yīng)物層隔絕了TiO2涂層和鎂基體之間的繼續(xù)接觸,界面反應(yīng)進度得以控制,最終在 C/Mg復(fù)合材料中形成了微反應(yīng)層界面結(jié)構(gòu),并且這種新的界面結(jié)構(gòu)提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　鎂基體中的鋁含量以及涂層厚度對TiO2涂層C/

7、Mg復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能具有顯著影響。
　　●當(dāng)基體從 AZ91(9％Al)變成 Mg-2%Al合金時,C/Mg復(fù)合材料的彎曲強度了26%,從1009MPa提高了到1277MPa(對比中涂層厚度為150nm)。
　　●在 TiO2涂層 C/Mg復(fù)合材料中存在最小界面層厚度。最小界面層厚度受基體中鋁含量的影響。本研究中Mg-2%Al和AZ91的最小界面層厚度分別為30nm和40nm。本質(zhì)上說,界面層能夠阻止基體中Al擴

8、散到碳纖維生成Al4C3相。因此,界面層需要達到最小界面層厚度才能發(fā)揮作用。
　　●當(dāng)涂層厚度大于最小界面層厚度時,復(fù)合材料力學(xué)性能隨涂層厚度的降低而增加。碳纖維表面TiO2涂層厚度分別為150nm,60nm和30nm時,Cf-TiO2/Mg-2%Al復(fù)合材料的對應(yīng)彎曲強度隨涂層的增加而提高,分別為1277MPa,1309MPa和1391MPa;
　　●當(dāng)TiO2涂層厚度小于最小界面層厚度時,TiO2涂層過薄,無法形成有效的