不同基體合金制備的Cf-Al復(fù)合材料微觀組織及力學(xué)性能的研究.pdf

1、連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（簡稱：Cf/Al復(fù)合材料）具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、比剛度高、耐磨性好、高溫性能好等優(yōu)異性能，因此，倍受航空航天、國防軍工行業(yè)的關(guān)注，已發(fā)展成為現(xiàn)代國防軍工領(lǐng)域最具戰(zhàn)略意義的結(jié)構(gòu)材料之一。目前真空氣壓浸滲法是Cf/Al復(fù)合材料近凈成形的主要方法，但碳纖維與鋁合金基體之間潤濕性差，浸滲過程中復(fù)合材料界面反應(yīng)程度難以控制。因此，如何實(shí)現(xiàn)鋁液的完全浸滲及減少C與Al的界面反應(yīng)成為真空氣壓浸滲法制備Cf/Al復(fù)合材料需要優(yōu)

2、先解決的問題。目前主要解決途徑有控制預(yù)熱溫度和浸滲溫度、碳纖維表面鍍層及在基體合金中加入合金元素等，本文主要研究基體合金對(duì)Cf/Al復(fù)合材料的微觀組織和力學(xué)性能的影響。
　　本文選用ZL102、ZL114A、ZL205A和ZL301鋁合金分別作為基體合金和石墨纖維M40作為增強(qiáng)體材料，采用真空氣壓浸滲法制備碳纖維體積分?jǐn)?shù)為40％的Cf/Al復(fù)合材料。采用XRD、TEM、SEM和EDS等多種分析方法對(duì)復(fù)合材料的致密度、顯微組織、相組

3、成與元素分布、界面形貌與生成相及拉伸性能等進(jìn)行測(cè)試表征，研究基體合金對(duì)復(fù)合材料致密度、浸滲組織和力學(xué)性能的影響，理論分析Cf/Al復(fù)合材料真空氣壓浸滲過程中的致密化機(jī)制和斷裂失效機(jī)理。取得以下研究成果：
　　Cf/ZL301復(fù)合材料中纖維分布最均勻，顯微組織上未發(fā)現(xiàn)明顯的孔洞缺陷，而Cf/ZL102復(fù)合材料和Cf/ZL114A復(fù)合材料中少量纖維聚集在一起，纖維聚集處產(chǎn)生了浸滲微孔；Cf/ZL205A復(fù)合材料中大量纖維團(tuán)聚在一起，顯

4、微組織上存在明顯的孔洞缺陷。相同的浸滲條件下，ZL102、ZL114A、ZL205A和ZL301合金制備的四種Cf/Al復(fù)合材料中，Cf/ZL301復(fù)合材料的致密度最大為99.9%，Cf/ZL114A復(fù)合材料致密度最小也達(dá)到了96.4%，基本實(shí)現(xiàn)了完全浸滲。
　　不同基體合金制備的Cf/Al復(fù)合材料的致密化程度的差異主要是鋁合金中不同的合金元素所致。Mg元素均勻地分布在基體合金中，能改善鋁液和碳纖維的潤濕性，降低鋁液的表面能，鋁液

5、能更好地浸滲纖維間隙；Si元素大量富集在纖維表面，能降低鋁液的粘度，增加鋁液的流動(dòng)性；Cu元素在ZL205合金中發(fā)生偏析，碳纖維容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，鋁液很難浸滲纖維團(tuán)聚的區(qū)域。
　　Cf/ZL301復(fù)合材料的斷口參差不齊，有纖維拔出，屬于典型的韌性斷裂；而Cf/ZL102復(fù)合材料和Cf/ZL114A復(fù)合材料的斷口平齊，無纖維拔出，屬于典型的脆性斷裂；Cf/ZL205A斷口較平齊，少量纖維脫黏拔出，部分區(qū)域斷口呈階梯狀，這些區(qū)域裂紋在

6、纖維內(nèi)部擴(kuò)展發(fā)生脆性斷裂。四種復(fù)合材料中，Cf/ZL301復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最大為670.2MPa，比相同鑄態(tài)下ZL301合金強(qiáng)度高544.2Mpa；而Cf/ZL205A復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度僅為336.9MPa，比相同鑄態(tài)下高強(qiáng)度的ZL205A強(qiáng)度高167MPa；Cf/ZL102復(fù)合材料和Cf/ZL114A復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度小，與相同鑄態(tài)下鋁合金的強(qiáng)度相當(dāng)。
　　不同基體合金制備的Cf/Al復(fù)合材料的斷裂失效方式的不同是鋁合金本身的性

7、質(zhì)以及界面反應(yīng)程度所致的。ZL301合金中由于Mg元素的存在，鋁液與碳纖維的潤濕性好，且Mg與Al反應(yīng)能阻礙Al4C3的生成，界面反應(yīng)適中，基體開裂后，界面脫黏，Cf/ZL301復(fù)合材料發(fā)生韌性斷裂；由于ZL205元素Cu元素的偏析，碳纖維發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，部分區(qū)域的界面反應(yīng)過強(qiáng)，導(dǎo)致Cf/ZL205A復(fù)合材料在較低應(yīng)力下發(fā)生階梯形脆斷；Cf/ZL102復(fù)合材料和Cf/ZL114A復(fù)合材料中，大量硬而脆的Si在界面附近富集，這些Si富集的地

8、方會(huì)成為裂紋源，導(dǎo)致復(fù)合材料在低應(yīng)力下發(fā)生脆性斷裂。
　　在纖維預(yù)制體單向排布的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文還進(jìn)行了M40纖維三維編織，ZL301為基體合金，采用真空氣壓浸滲法制備三維編織Cf/Al復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)：三維編織Cf/Al復(fù)合材料的致密度也達(dá)到了97.9%，三維編織預(yù)制體碳纖維束與束之間浸滲完好，只有間隙小的纖維之間有鋁液未浸滲，復(fù)合材料整體浸滲效果較好；三維編織Cf/Al復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為665.8MPa，從宏觀上觀察其斷口