短碳纖維增強2024合金復合材料的研究.pdf

1、非連續(xù)增強金屬基復合材料由于具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、良好的抗磨損能力及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，成為金屬基復合材料的一個重要發(fā)展方向，在航空、航天、國防及汽車工業(yè)等領域有廣闊的應用前景。隨著碳纖維制造技術的進步和性能價格比的提高，碳纖維增強鋁基復合材料逐漸受到科研工作者的重視，短碳纖維增強鋁基復合材料的研究和應用也不斷發(fā)展，目前短碳纖維增強鋁基復合材料的制備方法主要集中在粉末冶金法、壓力浸滲法和擠壓鑄造法，存在制件小、成本高的缺

2、點。攪拌鑄造法由于其工藝簡單、成本低廉，越來越受到重視。本文選擇廣為使用的硬鋁合金2024作為基體材料，采用攪拌鑄造法制備出高質量的短碳纖維增強2024合金復合材料。 本文首先從改善纖維與鋁之間的復合界面著手，通過碳纖維表面鍍鎳以改善碳纖維與2024合金之間的潤濕性。針對文獻報導中碳纖維鍍鎳工藝存在的不足，本試驗自行配制了添加劑A和添加劑B。前者由苯磺酸類和烷基硫酸類鹽組成，使化學鍍鎳的碳纖維表面平整、光亮、鍍層致密、結合力高；

3、后者包括炔類化合物、苯磺酸類和烷基硫酸類鹽，明顯提高電鍍鎳工藝中鍍液的使用壽命，降低了陽極表面處理次數(shù)，提高了鍍層質量，鎳鍍層光亮、平整、柔軟。通過試驗，得出最佳的碳纖維化學鍍鎳工藝條件：NiSO<,4>·6H<,2>O 308/L，NaH<,2>PO<,2>·H<,2>O 20g/L，檸檬酸鈉30g/L，醋酸納20g/L，乳酸20ml/L，添加劑A為2.0ml/L，pH 5.0，施鍍時間為20min，鍍液溫度為55℃；最佳的碳纖維電鍍

4、鎳工藝條件：NiSO<,4>·6H<,2>O 350g/L，H<,3>BO<,3> 40g/L，添加劑B為50ml/L，電流密度0.308A/din<'2>，電鍍時間5min。 本試驗針對攪拌鑄造法制備復合材料存在孔隙率偏高的缺點對工藝進行了重要的改進，即在澆鑄前采用真空除氣法以降低復合材料的孔隙率，取得了明顯的效果。試驗研究了真空度、真空除氣時間對復合材料孔隙率的影響，并且分別考察了攪拌溫度、攪拌時間、攪拌速度對制備優(yōu)質復合材

5、料的影響，根據(jù)攪拌動力學機制及結合鑄造出復合材料的組織和性能，獲得最佳工藝條件參數(shù)：攪拌溫度：750℃；攪拌時間：5 min；攪拌速度：1000 r/min；真空爐溫度：750℃；真空度：0.02 MPa；真空除氣時間：2 min。 試驗發(fā)現(xiàn)，與其它鋁合金不同，添加0.25％CeO<,2>即能夠對基體合金起到細化晶粒，強化基體的作用，適量的CeO<,2>不僅能夠提高復合材料熔體的運動粘度，使碳纖維上浮速度減小，而且還促進鋁基體與

6、碳纖維的潤濕，減少碳纖維的團聚現(xiàn)象，從而使碳纖維均勻地分布在復合材料中；同時添加適量的CeO<,2>能夠使復合材料孔隙率相應減小，使復合材料的抗拉強度、屈服強度得到提高，復合材料的塑性稍有下降。腐蝕試驗證明，添加0.25％CEO<,2>即能夠克服添加增強相所帶來的腐蝕性能的下降，通過阻礙表面點蝕行為、抑制析氫反應的發(fā)生，使復合材料的腐蝕電位與2024合金相比略有提高。根據(jù)短纖維增強機理和三元相圖，本文從鍍鎳層厚度、碳纖維質量分數(shù)、碳纖維

7、長度三方面考察了C<,f>/2024合金復合材料的組織和性能，結果表明，攪拌真空鑄造法制備復合材料過程中，當鍍鎳層厚度為0.70μm，碳纖維添加量為4％，短纖維長度為2～3mm時，復合材料中碳纖維與基體結合緊密，力學性能最好。 復合材料疲勞測試發(fā)現(xiàn)，添加碳纖維的復合材料在5×10<'6>循環(huán)周次下的抗疲勞強度比基體合金提高了35％，結合掃描電鏡分析，可知碳纖維的加入能夠阻止疲勞裂紋的擴展，提高復合材料的抗疲勞性能，添加劑CeO<

8、,2>也有利于提高基體和復合材料的抗疲勞性能。 采用透射電鏡對界面狀況進行觀察，從表觀上看采用攪拌真空鑄造法制備的復合材料中，碳纖維與合金基體之間結合緊密，鍍鎳層發(fā)生溶解，界面上未生成大量的Al-Ni組成的物相。與一般文獻報導不同，本文發(fā)現(xiàn)在界面上存在C向Al合金基體發(fā)生擴散的現(xiàn)象，擴散層厚度大約40nm，而且在擴散過程中未生成明確化學計量比的碳鋁化合物。碳纖維與鋁基體在界面處以機械和擴散兩種方式相結合。 復合材料軋制擠

9、壓試驗表明，復合材料軋制過程中，軋制溫度必須嚴格控制在420～460℃之間，需遵循多道次小壓下量的原則，初始和終了道次壓下量不宜過大。復合材料擠壓溫度控制在400～460℃之間，本試驗過程中擠壓筒和模具溫度都保持為450℃，參照基體合金的變形能力，本試驗選取35mm/s(棒材運動速度)。 軋制擠壓處理后復合材料的強度、硬度都明顯提高，在相同熱處理條件下，擠壓態(tài)復合材料強度、硬度性能比軋制態(tài)好。與退火態(tài)2024合金(退火溫度420