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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

碳纤维织物结构对摩擦材料温度分布的影响

为研究碳纤维织物增强树脂基摩擦材料在摩擦过程中的温度分布规律,以评价此类材料的耐热性能。采用有限元分析与单胞模型相结合的方法,分别建立浅交弯联、浅交直联和深交联3种结构的碳纤维织物增强树脂基摩擦材料有限元模型,模拟特定工况下的摩擦副热传导过程,分析织物结构和编织密度对温度分布的影响规律。结果表明:在摩擦副接合过程中,摩擦温度先升高后降低,摩擦结束时刻的最高温度出现在对偶片中心对称面处;相同编织密度时,浅交弯联织物结构导热性能最优,其摩擦温度峰值最低(仅为168.5℃,其他两种结构摩擦材料的摩擦峰值温度分别为178.0℃和172.1℃);随纬纱编织密度的增加,浅交弯联碳纤维织物增强树脂基摩擦材料中碳纤维体积分数增大,导热性能变优,摩擦峰值温度降低。     

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。     

双相多尺度镀镍碳纤维和碳化锆颗粒增强铝基复合材料制备及力学性能研究

采用放电等离子体烧结制备了双相多尺度镀镍碳纤维和碳化锆颗粒增强铝基复合材料(Cf(Ni)-Zr C/2024Al)。为了提高碳纤维和基体的界面结合强度,对碳纤维进行了化学镀镍,研究了烧结工艺对复合材料的密度、显微硬度和拉伸强度的影响。结果表明,在烧结温度为480℃,烧结压力为30 MPa,保温时间为10 min时,可以得到结构致密,性能优异的铝基复合材料。复合材料的密度仅为2.71 g/m~3,显微硬度、拉伸强度和伸长率分别为105.6 HV、330 MPa和10.2%,力学性能均高于2024Al合金。力学性能的提高归因于表面化学镀碳纤维和基体良好的界面结合、ZrC的网状分布结构、以及增强相和基体热膨胀系数不匹配导致的位错增强。     

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。     

碳纤维-FeCoCrNiAl高熵合金颗粒混杂增强7075铝基复合材料的力学性能及断裂行为

为探究双相增强体对铝基复合材料拉伸性能和断裂行为的影响,采用真空热压烧结工艺在580 ℃,30 MPa条件下保温10 min制备了FeCoCrNiAl高熵合金颗粒增强7075铝基复合材料（HEA_p/Al）,Ni-Co-P镀层修饰碳纤维增强7075铝基复合材料（CF/Al）和FeCoCrNiAl高熵合金颗粒及Ni-Co-P镀层修饰碳纤维混杂增强铝基复合材料（CF-HEA_p/Al）。并对不同复合材料微观结构及拉伸性能进行分析表征及比较。结果表明：CF-HEA_p/Al复合材料的屈服强度（YS）与极限拉伸强度（UTS）随纤维含量的升高（体积分数由0至40%）呈现先增大后降低的变化,延伸率则逐渐降低。鉴于Ni-Co-P镀层修饰碳纤维与FeCoNiCrAl高熵合金颗粒的混杂强化效应, CF-HEA_p/Al复合材料的YS和UTS较HEA_p/Al与CF/Al复合材料明显提高,且其断口表现出基体韧性断裂及纤维拔出与断裂的多种失效特征。     

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。     

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。     

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。     

Sol-Gel工艺制备三维碳纤维增强Al_2O_3-SiO_2基复合材料研究

以三维五向碳纤维编织件为增强体,以铝硅比为1:2的高固含量的Al2O3-SiO_2溶胶为先驱体,制备出3D-Cf/(Al2O3-SiO_2)复合材料。研究了溶胶的莫来石化行为,探讨了热处理温度对复合材料微观结构、力学性能、抗氧化性能的影响。结果表明,双相溶胶在1200℃时发生明显的莫来石化反应,1300℃时莫来石化反应基本完成。经18个周期的浸渍-干燥-热处理制备出抗弯曲强度可达220~240MPa,并具有良好韧性的3D-Cf/(Al2O3-SiO_2)复合材料。经1000~1600℃空气中氧化30min后,除了1000℃热处理制备的复合材料,1200和1400℃下制备的复合材料均表现出很好的抗氧化效果。热处理温度通过影响基体的致密化状态而影响复合材料的力学性能和抗氧化性能。     

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。     

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。     

Cf+SiCp/Al复合材料的微观组织与力学性能

采用挤压铸造法制备了SiC颗粒混杂增强T700/Al和M40/Al复合材料,研究了材料的微观组织与力学性能.结果表明,复合材料组织致密,纤维分布均匀.铸造态复合材料存在界面反应,透射电镜和XRD分析表明M40/Al的界面反应物尺寸和数量均小于T700/Al,M40Cf与铝具有较好的化学相容性.拉伸试验表明,M40/Al的抗拉强度高于T700/Al,这是由于界面反应物的数量改变了复合材料的断裂机制.     

预热温度对三维五向Cf/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为基体材料,采用真空辅助压力浸渗法制备了三维五向增强C_f/Al复合材料,研究了不同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制备温度提高而增加,纤维局部偏聚现象也明显减少,与此同时,界面反应物Al₄C₃相随制备温度提高而显著增多,530℃到570℃复合材料室温拉伸极限强度随组织缺陷减少而增加,570℃到600℃复合材料室温极限拉伸强度随界面反应程度增大而显著降低;高温拉伸极限强度随制备温度提高而增加,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。