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。     

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。     

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。     

Z向穿刺结构参数对C_f/Al复合材料显微组织与剪切性能的影响

采用真空压力浸渗法制备了4种叠层穿刺结构C_f/Al复合材料,研究了Z向穿刺结构参数对C_f/Al复合材料致密度、显微组织与剪切性能的影响。结果表明,Z向穿刺结构参数对C_f/Al复合材料的致密度、显微组织以及剪切性能影响较大,Z向穿刺纤维束为单股,针距分别为3mm和4mm时的C_f/Al复合材料致密度、剪切强度、模量分别为95.0%、69.9MPa、7.47GPa和95.5%、65.3MPa、8.38GPa;Z向穿刺纤维束为双股,针距分别为3mm和4mm时的C_f/Al复合材料致密度、剪切强度、模量分别为96.3%、78.6MPa、8.26GPa和96.0%、63.7MPa、8.12GPa。其中,Z向穿刺纤维束为双股,针距为3mm时的C_f/Al复合材料的显微组织较其余3种复合材料的显微组织而言,其纤维丝分布均匀,未发现明显的微孔缺陷。复合材料剪切破坏首先出现在V型口基体与界面损伤处,裂纹与剪切力方向呈45°扩展,经纱纤维束的屈曲变形、纬纱纤维束的挤压变形以及Z向穿刺纤维束的偏折导致复合材料最终失效。     

三维正交Cf/Al复合材料的显微组织与弯曲性能

采用真空压力浸渗法制备了Cf体积分数为50%的三维正交Cf/Al复合材料,主要研究了复合材料的显微组织以及室温、高温下的弯曲性能,并分析了复合材料弯曲失效机理。结果表明,三维正交Cf/Al复合材料经向显微组织的微孔缺陷较纬向显微组织要略多,复合材料在室温、350℃和400℃时,弯曲强度分别为498.8、363.0、303.0 MPa,弯曲模量分别为70.8、63.7、65.6GPa。其中,弯曲失效主要由于内侧面受压应力导致经向纤维束屈曲变形,纬向纤维束形态较完好;外侧面受拉应力导致复合材料拉伸破坏,存在纤维拔出现象。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

PIP工艺制备2D C/SiC复合材料Z-向穿刺工艺

针对2D C/SiC复合材料存在碳布层间缺乏纤维增强,层间结合较差的问题,提出通过Z-向穿刺工艺提高碳布层间结合,克服材料使用时可靠性不高的问题,并比较了穿刺工艺对复合材料微观结构和力学性能的影响.结果表明,通过Z-向穿刺工艺制得试样2D C/SiC-Z_(pin)的弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别为247.8 MPa、37.8 GPa和32.1 MPa,而未穿刺试样2D C/SiC的弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别只有219.3 MPa、34.4 GPa和23.3 MPa,由此可见,采用Z-向穿刺工艺能明显提高复合材料的力学性能.微观结构分析认为,试样力学性能提高的根本原因在于采用Z-向穿刺纤维加强了碳布层间结合,使材料具有较好的整体性,克服了复合材料层间结合较弱对力学性能带来的不利影响.     

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。     

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。     

深冷保温时间对三维正交Cf/Al复合材料显微组织与力学性能的影响

采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数为50%的三维正交Cf/Al复合材料,主要研究了深冷保温时间对复合材料残余应力、致密度、组织及力学性能的影响,并分析了其影响机理。结果表明,深冷处理改善了三维正交Cf/Al复合材料的显微组织,提高了其致密度,且对三维正交Cf/Al复合材料的残余应力、力学性能有显著的影响。经过深冷处理后,三维正交Cf/Al复合材料的残余应力降低,且随深冷保温时间的增加,残余应力值不断降低。而且深冷处理显著提高了三维正交Cf/Al复合材料的抗拉强度和弹性模量,经36h深冷处理的三维正交Cf/Al复合材料的抗拉强度和弹性模量达到841.33 MPa、132.19GPa,较铸态下的738.85 MPa、105.80GPa分别提高了13.9%、24.9%。经过深冷处理后,显微组织的改善及残余应力的释放是三维正交Cf/Al复合材料力学性能提高的主要原因。     

热压烧结Ti/Al2O3复合材料物相分析及力学性能

采用热压烧结法制备Ti/Al2O3复合材料,研究不同Nb掺量对复合材料的物相及力学性能的影响。结果表明:Nb可以与Al2O3解离出的Al结合成为AlNb2或AlNb3,抑制Al向Ti中的扩散,改善了材料的界面反应,提高材料力学性能;随Nb含量的增加,复合材料的相对密度、弯曲强度、断裂韧性、显微硬度均呈先增大再减小的趋势,在Nb含量为1.5%(体积分数,下同)时,相对密度、断裂韧性、显微硬度均达到最大值,分别为98.97%、5.18MPa·m1/2和16.56GPa,抗弯强度在Nb的掺入量为2%时达到最大值307.17MPa。     

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。     

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。     

典型编织结构复合材料强度性能的预测

以Tsai-Wu强度准则为基础,将三维编织复合材料看作横观各向同性材料,从而对Tsai-Wu强度准则的各阶强度张量系数进行简化,提出了一种计算三维编织复合材料拉伸强度的理论方法.计算了不同编织角和纤维体积分数下,三维四向和正交三向编织复合材料的拉伸强度,并探讨了编织角和纤维体积分数对编织复合材料强度性能的影响,计算结果与实验结果符合较好.     

先驱体转化2D Cf/SiC复合材料的拉伸行为研究

研究了先驱体转化2D Cf/SiC复合材料的拉伸行为.单向拉伸试验表明,材料的抗拉伸强度、拉伸模量和断裂应变分别为181.45MPa、64.95 GPa和0.744%.通过拉伸加载卸载试验分析了材料的拉伸失效过程,并对拉伸试验的应力应变曲线进行了拟合.结果表明,2D Cf/SiC复合材料拉伸破坏可以分为线弹性变形、基体破坏、纤维断裂和材料整体破坏4个阶段,拟合得到的曲线与试验曲线非常吻合.     

热轧制镁基叠层复合材料的力学性能

采用热轧制备7075Al/MGY/7075Al叠层复合材料,材料的拉伸强度达300MPa。基于经典叠层板理论计算该材料的首层失效强度,其计算结果与试验结果吻合较好,表明经典叠层板理论可用于预测轧制制备的叠层复合材料首层失效强度。结果表明:随着铝合金厚度的增加,镁基叠层复合材料的拉伸强度、弯曲刚度、压缩强度和弯曲比强度增加,弯曲比刚度和拉伸比强度先增加后降低,且7075Al/MGY/7075Al、7075Al/AZ31/7075Al和3003Al/MGY/3003Al叠层复合材料的拉伸比刚度增加,但3003Al/AZ31/3003Al叠层复合材料的拉伸比刚度逐渐减小。