纤维预热温度对真空气压浸渗连续SiC_f/Al复合材料致密度和力学性能的影响

选用先驱体法制备的直径10~15μm束丝SiC纤维作为增强体材料,采用真空气压浸渗法制备了SiCf体积分数为40%的连续SiCf/Al复合材料,研究纤维预热温度对复合材料显微组织与力学性能的影响。结果表明:复合材料中原局部存在少量团聚的SiC纤维束随着纤维预热温度的提高,纤维团聚减少,分布更趋于均匀;而复合材料致密度和抗拉强度随纤维预热温度的升高先逐渐增加后缓慢降低;其中,在纤维预热温度为500℃、浸渗温度为730℃、浸渗压力为7 MPa和保压时间为5 min的浸渗工艺条件下所制备的连续SiCf/Al复合材料的致密度为97.24%,抗拉强度达到768.9 MPa。     

纤维预热温度对3D-C_f/Al复合材料显微组织及力学性能的影响

采用真空气压浸渗法制备纤维体积分数为51%的三维五向编织M40碳纤维增强铝基复合材料(3D-C_f/Al),研究纤维预热温度对3D-C_f/Al复合材料显微组织与力学性能的影响,并对比研究3D-C_f/Al复合材料与单向连续C_f/Al复合材料的差异。结果表明:复合材料致密度随着编织体预热温度的提高而增大,提高预热温度可有效减少复合材料内部孔洞和纤维偏聚等浸渗缺陷;复合材料的拉伸强度随纤维预制体预热温度的提高而显著降低。其中,在预热温度500℃、浸渗温度720℃、浸渗压力7 MPa和保压时间20 min的工艺条件下,所制备的3D-C_f/Al复合材料致密度为97.3%,拉伸强度为777.8 MPa,弹性模量为186.1 GPa。     

基体对连续C_f/Al复合材料致密度和强度的影响

选用M40石墨纤维(6K)作为增强体材料,采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数为40%、基体合金分别为ZL102、ZL114A、ZL205A及ZL301合金的单向连续Cf/Al复合材料,研究了基体合金对连续Cf/Al复合材料的致密度和抗拉强度的影响。结果表明,在预热温度为550℃、浸渗温度为730℃、浸渗压力为7 MPa、保压时间为20min的条件下,4种复合材料中,M40/ZL301复合材料的致密度最大,为99.9%,纤维在基体中的分布也最均匀;抗拉强度最高达670.2MPa,是最低的M40/ZL102复合材料的639%;其拉伸断口呈典型的韧性断裂特征。     

基体合金对连续SiC_f/Al复合材料显微组织及拉伸强度的影响

选用的增强体为先驱体法制备的束丝SiC纤维(KD-Ⅱ型),采用真空气压浸渗法制备体积分数为40%、基体合金分别为ZL102、ZL114A及ZL205A合金的连续SiCf/Al复合材料,并用Na OH溶液萃取出SiC纤维,研究基体合金对连续SiCf/Al复合材料微观组织和拉伸强度的影响。结果表明:基体合金对连续SiCf/Al复合材料的微观组织及力学性能有显著地影响。其中,SiCf/ZL102复合材料纤维分散均匀和致密,SiCf/ZL114A复合材料存在少量的纤维团聚,而SiCf/ZL205A复合材料存在明显的偏聚和微孔缺陷;基体ZL102、ZL114A及ZL205A复合材料的平均拉伸强度分别为615.7、475.9和385.1 MPa,差别较大;同时,从基体ZL102、ZL114A及ZL205A的复合材料中萃取出SiC纤维的平均拉伸强度分别为原丝的50.94%、41.51%及25.09%;在浸渗过程中,纤维损伤和分布是导致不同基体复合材料力学性能差异的关键因素。     

增强纤维对连续纤维增强铝基复合材料界面和力学性能的影响

选用M40J碳纤维、KD-Ⅱ型碳化硅纤维和Nextel610型氧化铝纤维为增强体材料,采用真空压力浸渗法制备纤维单向排布,基体合金为ZL301的连续纤维增强铝基复合材料,研究增强纤维对复合材料致密度、界面及力学性能的影响。结果表明:增强纤维对复合材料的致密度有着明显影响,C_f/Al复合材料的致密度最大,达到99.9%,密度最小,仅为2.248g/cm~3,且其纤维排布均匀,组织缺陷最少;不同增强纤维与基体会发生不同程度的界面反应,最后表现为不同的纤维损伤程度,界面层厚度和界面相的大小,Al_2O_3f/Al复合材料未发现明显界面层,SiC_f/Al复合材料和C_f/Al复合材料的界面层厚度分别为275.3 nm和327.4 nm,界面上都发现有短棒状的Al_4C_3相;SiC_f/Al,C_f/Al和Al_2O_3f/Al复合材料的拉伸强度分别为780.3 MPa,670.2 MPa和587 MPa,组织缺陷、纤维损伤和界面结合强度是影响复合材料强度的主要因素。     

基体合金对连续SiC_f/Al复合材料界面及拉伸强度的影响

分别以ZL102、ZL114A、ZL205A及ZL301这4种合金为基体,以Si C纤维为增强体,采用真空气压浸渗法制备SiC_f体积分数为40%的连续SiC_f/Al复合材料。采用TEM和SEM对不同基体合金的SiC_f/Al复合材料界面及断口形貌进行观察,并测试其拉伸强度。结果表明:不同基体合金的连续SiC_f/Al复合材料界面形貌存在明显差异,其力学性能及断口形貌亦存在较大的差异。其中,SiC_f/ZL102复合材料的界面存在细小的针状Al_4C_3相,无明显界面层,呈弱界面结合,平均拉伸强度为615.7 MPa,断口纤维拔出现象明显;SiC_f/ZL205A复合材料的界面存在块状的Al_4C_3相及CuAl_2相,呈强界面结合,平均拉伸强度为385.1 MPa,断口平齐;SiC_f/ZL114A复合材料的界面结合较SiC_f/ZL102复合材料的强,平均拉伸强度为475.9 MPa;SiC_f/ZL301复合材料的界面存在棒状Al_4C_3相,大量Mg元素的富集降低界面反应,界面结合强度适中,平均拉伸强度为769.3 MPa,断口出现韧窝,基体改变裂纹横向传播的方向。     

挤压铸造Al2O3f-Cf/ZL109混杂复合材料纤维的含量和制备工艺优化

利用挤压铸造，采用正交试验和极差分析法优化了Al2O3和C短纤维混杂增强ZL109金属基复合材料中纤维的加入量和制备工艺参数。结果表明：当Al2O3体积分数为12%时，复合材料的抗拉强度和耐磨性最佳；复合材料的抗拉性强度随着C纤维含量的增加略有下降，但耐磨性逐渐增加。当压力大于50MPa时，压力变化对复合材料抗拉强度和耐磨性影响不大。预制块预热温度较低和浇注温度较高时，复合材料的抗拉强度和耐磨性能较低。优化结果为：Al2O3知纤维体积分数12%、C短纤维体积分数4%，挤压压力110MPa、预制块预热温度400-450℃，浇注温度720-770℃。     

连续SiC纤维增强Ti基复合材料中的残余热应力

提出了用"残余应变不平衡法"来检测SiCf/Ti基复合材料的残余热应力.即在复合材料中单边多加入基体合金而形成层状材料,冷却中因残余热应变不平衡而产生弯曲,测量弯曲变形量,计算复合层间的热应力和应变,得出产生残余热应力的起始温度为704℃.采用Schapery模型计算不同温度下SiCf体积分数为35%的SiCf/Ti6Al4V复合材料热膨胀系数,获得了SiCf/Ti6Al4V复合材料中Ti6Al4V基体和SiC纤维中的平均残余热应力分别为349 MPa和648MPa.     

热压温度对超声辅助粉末热压法制备n-SiC/Mg-9Al复合材料组织和性能的影响

利用超声辅助粉末热压法在热压温度分别为470、490、510和530℃条件下制备出了n-SiC_p/Mg-9Al镁基复合材料。采用OM、EDS、SEM及电子拉伸试验机等设备研究了该复合材料的显微组织及室温力学性能。结果表明:超声辅助粉末热压法能够使n-SiC_p良好地分散在n-SiC_p/Mg-9Al复合材料中,并且随着热压温度的升高,n-SiC_p的团聚现象先减少后增加,复合材料的致密度呈现出先升高后降低的趋势。当热压温度为510℃时,复合材料的致密度最高,晶粒尺寸最为细小,n-SiC_p分散最为均匀。n-SiC_p/Mg-9Al复合材料的室温力学性能随着热压温度的升高而先升高后降低;在510℃制备的复合材料的力学性能最为优异,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到178 MPa、210 MPa、4.5%。     

纤维预热温度对2.5D-C_f/Al复合材料致密度和强度的影响

以石墨纤维2.5D织物为增强体,ZL301铝合金为基体,采用真空气压浸渗法制备了碳纤维体积分数为42%的2.5D-C_f/ZL301复合材料,研究了纤维预热温度对复合材料致密度和力学性能的影响。结果表明,随着纤维预热温度的升高,2.5D-C_f/Al复合材料的致密度呈现先增加后减少的趋势;而复合材料室温抗拉强度随纤维预热温度提高而持续下降,这是因界面反应加剧而导致的界面结合过强而导致的复合材料力学性能恶化。     

预热温度对C_f/Al复合材料微观组织及室温与高温力学性能的影响

以石墨纤维三维五向织物为增强体,铝合金ZL301为基体,采用真空辅助压力浸渗法制备了三维五向增强Cf/Al复合材料,研究了不同预热温度制备的复合材料微观组织特征和界面反应程度,测试了复合材料在室温和高温下的拉伸力学性能并分析了其断口形貌。结果表明:复合材料相对致密度随预热温度提高而增加,纤维局部偏聚现象也明显减少,与此同时,界面反应物Al_4C_3相随预热温度提高而显著增多,530～570℃复合材料室温强度随组织缺陷减少而增大,570～600℃复合材料室温强度随界面反应程度增大而显著降低;高温(300℃)强度随预热温度提高而增加,适当提高界面反应程度有利于提高复合材料高温力学性能,高温拉伸中基体合金回复软化和界面结合强度弱化促进了复合材料断裂过程中的纤维拔出与界面滑移。     

基体合金对连续Al2O3f/Al复合材料微观组织及拉伸强度的影响

选用Nextel610型Al2O3纤维作为增强体,采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数40%、基体合金分别为1A99、ZL210A、ZL301及7075合金的单向连续Al2O3f/Al复合材料,并用NaOH溶液萃取出Al2O3纤维,研究了基体合金对连续Al2O3f/Al复合材料的致密度、纤维损伤及拉伸强度的影响。结果表明：基体合金对连续Al2O3f/Al复合材料的致密度和微观组织有明显影响,其中连续Al2O3f/ZL301复合材料致密度最高为99.2%,组织缺陷最少;连续Al2O3f/1A99复合材料致密度最低为96.8%,这种差异是由于不同基体与纤维之间润湿性不同导致的。不同基体与纤维发生了不同程度的界面反应,最后表现为对纤维的损伤程度不同。连续Al2O3f/1A99、Al2O3f/ZL210A、Al2O3f/ZL301及Al2O3f/7075四种复合材料的拉伸强度分别为465MPa、479MPa、680MPa和389MPa,缺陷、纤维损伤和界面结合强度是影响连续Al2O3f/Al复合材料强度的主要因素。     

经/纬向纤维比对2.5D浅交弯联C_f/Al复合材料组织和性能的影响

选用M40J碳纤维的2.5D浅交弯联编织预制体为增强体材料,ZL301合金为基体材料,制备纤维体积分数为48%的2.5D碳纤维增强铝基复合材料,2.5D浅交弯联编织预制体的经/纬向纤维比选取54%∶46%、65%∶35%和78%∶22%,研究了不同经/纬向纤维比的2.5D浅交弯联结构C_f/Al复合材料的致密度、微观组织和经纬向力学性能。结果表明,2.5D复合材料的致密度随着经向纤维体积分数的提高而不断下降,经/纬向纤维比为54%∶46%的2.5D-C_f/Al复合材料致密度最大,达到98.5%,组织中无明显浸渗缺陷,浸渗效果较好;经/纬向纤维比对2.5D-C_f/Al复合材料经/纬向抗拉强度影响较大,经/纬向纤维比为65%∶35%的2.5D-C_f/Al复合材料经向、纬向抗拉强度分别为380.6、245.6MPa,具有最佳的综合力学性能,其拉伸断口参差不齐,界面结合强度适中。     

3D-C_f/Al复合材料真空气压浸渗工艺研究

三维编织碳纤维增强铝基复合材料(3D-Cf/Al复合材料)具有耐冲击、不分层、抗开裂、耐疲劳、整体性强等优点,但浸渗过程中存在难以浸渗和过度界面反应等问题。在采用真空气压浸渗制备单向排布Cf/Al复合材料的工艺试验基础上,进行了三维五向编织Cf/Al复合材料的真空气压浸渗工艺研究,得到了3D-Cf/Al复合材料真空气压浸渗成形工艺参数。在预热温度为500~550℃、浸渗温度为730℃、保压时间为20min时,制备出的3D-Cf/Al复合材料浸渗良好,其致密度达到95.88%,抗拉强度达到782.33 MPa。     

SiC纤维增强体对叠层复合材料结构性能的影响

针对目前航空航天材料轻量增韧的要求,提出将SiC纤维应用于金属基叠层复合材料,通过将叠层结构与纤维增强结构相耦合的方式,采用箔-纤维-箔法结合真空热压技术制备SiC_f/Ti/Ti2AlNb叠层复合材料,研究其组织、力学性能及失效机理,并与未添加SiC纤维的叠层材料进行对比。结果表明,加入SiC纤维增强体后,SiC_f/Ti/Ti2AlNb叠层复合材料在承载过程中,SiC纤维能够改变裂纹扩展方向,延长裂纹扩展路径,从而提高材料韧性。与Ti/Ti2AlNb叠层复合材料相比,由于SiC纤维的加入,SiC_f/Ti/Ti2AlNb叠层复合材料的密度降低了约3%,高温抗拉强度提高了22%,弯曲强度提高了19%,断裂韧性提高了3倍,冲击韧性提高了15%,断裂韧性提高了3倍。     

石英纖维补强鋁合金的抗拉强度

在室温下对各种热压状态下用连续石英纤维补强的铝合金的抗拉强度作了测定。结果表明,在450～550℃温度间具有一抗拉强度最高的最佳压制压力。提出了一个解释所包含的各过程的模型。复合材料高温抗拉试验表明,强度约保持到300℃,此后强度下降,至500℃下降为23.6公斤/毫米~2。     

添加Al、Cu对40CrNi3MoV钢组织和力学性能的影响

利用OM、SEM、TEM以及力学性能测试等表征手段研究了添加Al、Cu的40CrNi3MoV钢在900 ℃油冷淬火及450~650 ℃回火后的显微组织和力学性能的变化规律。结果表明,试验钢经淬火+回火后的显微组织主要为回火索氏体,同时析出了纳米级NiAl-Cu析出相,最佳回火温度区间为500~550 ℃。由于基体中析出纳米尺度B2结构的NiAl析出相,对添加Al的试验钢中微裂纹的扩展有较强的阻碍作用, 500~550 ℃回火时抗拉强度最高增幅达200 MPa;进一步添加Cu后,富Cu相和位错的相互作用使得试验钢的屈服强度提高了150 MPa。500 ℃回火时抗拉强度为1706 MPa,屈服强度为1505 MPa,试验钢的拉伸和冲击断口呈现出典型的解理断裂特征,有明显的撕裂棱。     

莫来石纤维对氧化铝陶瓷性能的影响

选用莫来石纤维为增强体,通过添加适量的烧结助剂,制备莫来石纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料,探讨了不同烧结温度和不同纤维含量对复合材料性能的影响规律.结果表明:莫来石纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的相对密度、弯曲强度和断裂韧性随烧结温度和纤维含量的增加先增大后减小,当烧结温度为1450 ℃、纤维含量为15%时,复合材料的弯曲强度、断裂韧性最高,复合材料弯曲强度和断裂韧性分别达到502.36 MPa和3.48 MPa·m~(1/2),比基体材料分别提高63.8%和54.7%;相对密度达到98.41%.纤维的拔出和脱粘消耗了大量的能量,是莫来石纤维增强氧化铝陶瓷复合材料力学性能提高的主要原因.     

离心铸造工艺参数对汽车气阀性能的影响

采用不同的离心铸造工艺参数对Ti Al基合金汽车气阀进行了铸造,并在500℃进行了力学性能和耐磨损性能的测试与分析。结果表明:与1600℃浇注的试样相比, 1645℃浇注的试样抗拉强度和屈服强度分别增大了16%和21%,磨损体积减小了40%;与200℃模具预热温度相比,模具预热温度为240℃时试样的抗拉强度和屈服强度分别增大了15%和21%,磨损体积减小了26%;与旋转速度1000 r/min相比,当旋转速度为2500 r/min时离心铸造试样的抗拉强度和屈服强度分别增大了14%和22%,磨损体积减小了37%。随浇注温度从1600℃上升至1660℃,或模具预热温度从200℃上升至260℃,或旋转速度从1000 r/min增加至3000 r/min,力学性能和耐磨损性能均先提高后下降。Ti Al基合金汽车气阀的浇注温度、模具预热温度和旋转速度分别优选为1645℃、240℃和2500 r/min。     

热压工艺对C_f/Al叠层复合材料组织及力学性能的影响

以1060Al箔、HL403铝合金粉和M40单向碳纤维布为原材料,纤维体积分数为22.80%,采用真空热压法制备了C_f/Al叠层复合材料。通过正交试验法研究了热压温度、热压时间和热压压力等工艺参数对复合材料组织和力学性能的影响。结果表明,热压时间对复合材料的抗拉强度影响最为显著,热压温度对复合材料的致密度影响最为显著。1060Al箔与M40单向碳纤维布之间加入HL403铝合金粉,降低了热压温度,减缓了界面反应,同时生成的Al_2Cu相抑制了Al_4C_3脆性相的生成,提高了复合材料的力学性能。当热压温度为510℃,热压时间为180 min,热压压力为15 MPa时,C_f/Al叠层复合材料的基体与纤维结合较好,铝基体层与纤维增强层交替排布,纤维分布均匀。C_f/Al叠层复合材料断裂时有大量纤维被拔出,拉伸断口表现为铝基体层的韧性断裂与纤维增强层的脆性断裂。C_f/Al叠层复合材料的密度为2.492 g/cm~3,致密度为99.80%,抗拉强度为254.75 MPa,抗弯强度为334.97 MPa。