织物结构对2.5D-C_f/Al复合材料微观组织与力学性能的影响

选用浅交弯联、浅交直联、层联结构的M40碳纤维机织物为增强体材料,采用真空气压浸渗法制备纤维体积分数为48%,基体合金为ZL301的2.5D编织M40碳纤维增强铝基复合材料(2.5D-Cf/Al),研究织物结构对2.5D-Cf/Al复合材料微观组织与力学性能的影响。结果表明:复合材料的致密度随着织物结构的改变而变化,其中浅交直联结构的2.5D-Cf/Al复合材料的致密度最大为98.5%;织物结构对复合材料的经向拉伸强度有较大影响,浅交直联结构的2.5D-Cf/Al复合材料经向拉伸强度最高,为414.85 MPa,其拉伸断口参差不齐,呈现出适中的界面结合强度;织物结构对复合材料纬向拉伸强度的影响较小,拉伸断口形貌差异不明显。     

织物结构对C_f/Al复合材料微观组织与压缩性能的影响

选用ZL301合金为基体材料,采用2.5D浅交直联、三维正交和三维五向等3种结构编织了M40J碳纤维预制体,采用真空压力浸渗法制备纤维体积分数为50%的3D-C_f/Al复合材料。主要研究了织物结构对C_f/Al复合材料微观组织与压缩强度的影响。结果表明,织物结构对C_f/Al复合材料的致密度、微观组织和压缩性能影响较大。其中三维正交结构的C_f/Al复合材料的致密度和压缩强度最大,分别为99.2%和417MPa;而2.5D浅交直联结构的C_f/Al复合材料的致密度和压缩强度最小,分别为95.3%和99.8MPa。     

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。     

退火及深冷处理对2.5D-C_f/Al复合材料残余应力及力学性能的影响

选用碳纤维2.5D织物为预制体,ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备了碳纤维体积分数为49%的2.5D-C_f/Al复合材料。主要对浸渗的复合材料进行退火和深冷处理,研究退火及深冷处理对2.5D-C_f/Al复合材料残余应力及力学性能的影响。结果表明,退火及深冷处理都能够显著降低2.5D-C_f/Al复合材料的残余应力,但深冷处理后残余应力释放更为彻底且残余应力状态发生改变。深冷处理后的复合材料的抗拉强度提升约13.4%,这是因为复合材料低温下体积收缩致使孔隙闭合及残余应力降低所导致,而退火处理的复合材料抗拉强度有所降低。     

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。     

2.5D-C_f/Al复合材料的经向高温力学性能及其变形断裂行为

以M40J碳纤维的2.5D浅交直联编织预制体为增强体,ZL301合金为基体材料,采用真空压力浸渗法,制备纤维体积分数50%的2.5D碳纤维增强铝基复合材料;研究2.5D浅交直联结构复合材料的致密度和微观组织,在室温、350℃和400℃环境下进行经向拉伸力学性能测试并分析其变形断裂行为。结果表明:2.5D复合材料的致密度较高达到96.2%,细观结构完整,纤维排布均匀,微观组织无明显铸造缺陷,界面上大多数区域较为干净,存在棒状的Al_4C_3界面相;2.5D-C_f/Al的室温、350℃和400℃的经向拉伸强度分别为531、451和408 MPa,材料的高温强度损失率仅为23%;其应力-应变曲线呈现明显非线性特征,复合材料的室温和高温拉伸断裂过程可以分为3个阶段,即基体承载阶段、纤维承载阶段、损伤与断裂阶段。     

编织结构对3D-C_f/Al复合材料显微组织与力学性能的影响

选用三维五向和三维正交两种编织结构的纤维预制体,采用真空气压浸渗法制备纤维3D-C_f/Al复合材料,研究编织结构对3D-C_f/Al复合材料显微组织和拉伸强度的影响。结果表明:编织结构对3D-C_f/Al复合材料的显微组织与力学性能具有显著影响。其中,三维五向和三维正交C_f/Al复合材料平均致密度分别为97.7%和98.3%,三维五向C_f/Al复合材料存在少量的束间孔洞、气孔缺陷,而三维正交C_f/Al复合材料存在少量纤维团聚缺陷;三维五向C_f/Al复合材料的拉伸强度、拉伸模量及泊松比均明显高于三维正交C_f/Al复合材料的,二者的平均拉伸强度分别为753.5 MPa和644.1 MPa,拉伸模量分别为194 GPa和150 GPa,泊松比分别为0.89和0.04;三维五向C_f/Al复合材料的抗弯强度、弯曲模量均明显低于三维正交C_f/Al复合材料的,二者平均抗弯强度分别为931.8 MPa和1010.3 MPa,弯曲模量分别为134.2 GPa和154.6 GPa。通过对预制体编织结构的设计,可实现3D-C_f/Al复合材料性能设计。     

真空气压浸渗3D-Cf/Al复合材料微观缺陷分析

采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数51%、致密度≥97%的三维五向和三维正交编织M40碳纤维增强铝基复合材料(3D-C_f/Al),分析了复合材料中微观缺陷的形貌、形成机理及其控制手段,并对比了2种编织结构对复合材料微观缺陷形成的影响。结果表明:复合材料中的缺陷均是微米级的微观缺陷,主要有束内孔隙、局部纤维偏聚及在基体集聚处的冷隔、显微缩孔及微夹杂等,其中三维正交C_f/Al复合材料束内孔隙及束间孔隙较三维五向C_f/Al复合材料少,而局部纤维偏聚现象较三维五向C_f/Al复合材料严重,造成其缺陷差异的主要原因在于其纤维预制体编织结构的差异,通过提高预热温度可以显著减少复合材料内部的孔隙缺陷及局部纤维偏聚现象。     

纤维编织结构对3D-Cf/Al复合材料弯曲性能的影响

为研究纤维编织结构对三维编织C_f/Al复合材料弯曲性能的影响，选用TZ700S碳纤维作为增强纤维，通过加入轴纱改变编织结构，制备了三维四向和三维五向、全五向3种编织结构的纤维预制体。通过压力浸渗法制备了基体合金为7075铝合金的3D-C_f/Al复合材料，测试了弯曲力学性能并观察了断口的形貌。结果表明，3D-C_f/Al复合材料的弯曲性能高于基体弯曲性能，其中三维四向C_f/Al复合材料的弯曲强度为346.7 MPa。加入轴纱后的三维五向、全五向C_f/Al复合材料的弯曲性能和断裂应变均高于三维四向C_f/Al复合材料，而加入更多轴纱的全五向复合材料的结构性能更好，弯曲强度为399.7 MPa。     

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。     

保压时间对3D-SiC_f/Al复合材料组织及力学性能的影响

选用三维五向编织结构的SiC纤维为增强体,采用真空辅助压力浸渗法制备纤维体积分数为48%的3D-SiC_f/ZL301复合材料,研究了浸渗保压时间对3D-SiC_f/Al复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明,复合材料的致密度随着保压时间的延长而增大,达到99.0%,延长保压时间可以减少复合材料纤维束内空隙和团聚现象;而复合材料的抗拉强度则随着保压时间的增加呈先上升后下降的趋势,这是由于过强的界面反应导致复合材料的力学性能恶化。     

叠层穿刺结构对C_f/Al复合材料组织与性能的影响

以M40J碳纤维编织叠层穿刺结构预制体,选用ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备4种不同编织参数的叠层穿刺C_f/Al复合材料,研究了穿刺结构参数(Z向纱线规格和穿刺针距)对C_f/Al复合材料微观组织及拉伸性能的影响,并分析了其断裂变形行为及拉伸断口处形貌特征。结果表明,穿刺结构参数对C_f/Al复合材料微观组织及性能影响显著,单股、3 mm/针的C_f/Al复合材料的平均抗拉强度为623 MPa,单股、4 mm/针的C_f/Al复合材料的为353.3 MPa,为4种结构中最低,双股、3 mm/针的C_f/Al复合材料为650.2 MPa,为4种结构中最高,约为单股、4 mm/针复合材料的两倍;双股、4 mm/针的C_f/Al复合材料的为473 MPa。穿刺针距为3 mm/针的C_f/Al复合材料微观浸渗缺陷较少,抗拉强度较高,单股穿刺纱在经向拉伸时易出现Z向纱分层失效现象。叠层穿刺C_f/Al复合材料根据变形断裂行为,可将其拉伸破坏过程分为3个阶段:纤维与基体共同承载阶段、主要由纤维承受载荷阶段、断裂失效阶段。     

碳纤维编织结构对C_f/Al复合材料拉伸性能的影响

将M40J碳纤维以两种编织结构(三维正交和叠层缝合)织成预制体,用真空气压浸渗法制备C_f/Al复合材料,分别对两种结构的含缺口试样及相同尺寸的光滑试样进行拉伸力学性能试验,通过SEM、TEM对材料的微观组织和界面特征进行观察分析,研究两种编织结构C_f/Al复合材料含缺口试样的拉伸性能,讨论缺口对复合材料性能的影响以及不同编织结构的复合材料对缺口的敏感程度。结果表明,缺口使两种编织结构的C_f/Al复合材料拉伸性能均明显减弱,三维正交C_f/Al复合材料缺口试样的抗拉强度较光滑试样下降了141.3 MPa,降幅约为23.7%,其缺口拉伸敏感系数为1.31;叠层缝合C_f/Al复合材料缺口试样的抗拉强度较光滑试样下降了121.8 MPa,降幅约为28.9%,缺口拉伸敏感系数为1.41。叠层缝合结构对缺口较三维正交结构更为敏感。     

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。     

2.5维织物C_f/Al复合材料制备及其经纬向拉伸变形力学行为研究

以石墨纤维2.5维机织物为增强体,铝合金ZL301为基体材料,采用真空辅助压力浸渗法制备了2.5维织物Cf/Al复合材料,研究了3种织物预热温度下制备的复合材料相对致密度和微观组织形貌,分析了其界面产物组成与界面结构特征,测试了其经、纬向准静态拉伸变形力学行为并分析了其断口形貌。结果表明:复合材料织物的细观结构完整,内部纤维分布均匀,致密度随预热温度提高而略有上升,界面棒状产物为Al4C3相,其相对含量随预热温度的提高而增加,从而引起复合材料经向和纬向力学性能的下降。复合材料经向拉伸强度高于纬向拉伸强度,且其应力-应变行为呈现出显著的非线性特征,复合材料经向和纬向拉伸变形过程均可划分为3个阶段:初始弹性变形阶段、中间弹塑性变形阶段和最终损伤与断裂阶段。     

液态金属浸渗纤维预制体的临界压力与浸渗行为

开发液态金属浸渗过程动态测量装置,以其深入研究液态金属在纤维预制体内部的渗流行为。利用该装置进行液态镁合金浸渗10%体积分数短碳纤维预制体的研究,测量浸渗过程中的临界浸渗压力,研究浸渗压力对浸渗速率的影响,观察不同浸渗压力下复合材料的微观形貌。结果表明：浸渗所需的临界压力为0.048 MPa,大于理论计算结果;随着浸渗压力的增大,液态金属的浸渗速率提高,但提高的幅度逐步降低;增大浸渗压力能够有效消除复合材料中的未浸渗缺陷;浸渗压力为0.6 MPa时获得组织致密的Cf/Mg复合材料。     

混杂2D-C/Al电子封装复合材料的设计与制备

设计了混杂C/SiCp 预制型中碳化硅颗粒的尺寸及体积分数 ,并用低压浸渗技术制备了非润湿体系混杂2D C/Al电子封装复合材料。理论计算表明 :加入 0 .5%～ 2 % (体积分数 ,下同 )、尺寸 3～ 5μm的SiCp 可实现调节纤维体积分数范围为 30 %～ 60 % ,加入体积分数 1 0 %、尺寸 1 5μm的SiCp 可将纤维体积分数调小到 1 0 %。控制预制型中SiCp 的分布可获得纤维分布均匀的混杂 2D C/Al复合材料。低压浸渗法制备混杂 2D C/Al复合材料的热物理和拉伸性能优于高压法。     

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。     

碳纤维预制体表面PyC/SiC复合涂层制备及其对C_f/Al复合材料性能的影响（英文）

为改善碳纤维与熔融铝合金间的润湿性、减小界面反应程度,采用化学气相沉积(CVD)法在碳纤维预制体表面沉积制备了Py C/Si C复合涂层,利用真空吸渗挤压浸渗工艺制备了Cf/Al复合材料。研究了沉积参数对碳纤维表面涂层的影响,并通过复合材料微观组织分析及材料机械性能测试来反映涂层对Cf/Al复合材料的浸渗质量和性能的影响规律。结果表明:沉积温度对涂层沉积速率影响较大,通过选择合适的沉积温度或者沉积时间,可在碳纤维表面得到厚度均匀的Py C/Si C复合涂层。碳纤维预制体表面涂层的存在可使其与基体合金润湿性良好、界面结合强度适中,形成合适的界面结合状态,有效提高浸渗质量和复合材料性能;并且当Py C涂层、Si C涂层厚度分别为0.068、0.257μm时,复合材料性能改善效果最佳。     

冷却速度对2D-C_f/Mg复合材料性能的影响

采用真空吸渗挤压工艺制备二维连续碳纤维增强镁基(2D-C_f/Mg)复合材料,研究了不同冷却速度下C_f/Mg复合材料中的碳纤维表面形貌、复合材料的硬度和拉伸强度。试验结果表明,较高的冷却速度可降低C_f/Mg复合材料的界面反应程度,减少碳纤维的表面损伤,有助于复合材料的硬度和强度提高。制备的T700碳纤维增强2D-C_f/Mg复合材料的抗拉强度可达450 MPa。