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。     

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。     

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。     

预热温度对SiC_f/Al复合材料纤维损伤和性能的影响

选用单向排布SiC纤维预制体为增强体材料,ZL301合金为基体材料,纤维预热温度选取500、530、550℃,制备纤维体积分数为40%的连续SiCf/Al复合材料,研究了不同纤维预热温度对连续SiC_f/Al复合材料的相组成、纤维损伤和力学性能的影响。结果表明,随着纤维预热温度上升,纤维的损伤越严重,预热500℃的纤维抗拉强度最高,为1 827MPa,是SiCf纤维原丝强度的77.7%,预热550℃时的纤维抗拉强度最低,仅为1 360MPa;纤维预热温度对连续SiC_f/Al复合材料的力学性能有较大影响,纤维预热温度为530℃时复合材料的抗拉强度最高,为483MPa,断口呈现韧性断裂特征,表现出适中的界面结合强度。     

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。     

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。     

真空吸渗挤压制备2D-C_f/Al复合材料的组织和性能研究

采用真空吸渗挤压工艺制备了二维碳纤维增强铝基(2D-Cf/Al)复合材料。在挤压力(比压)为60~90 MPa、真空度为10~30 k Pa、浸渗挤压温度为580~620℃、保压时间为60~120 s时,可以获得浸渗充分和成形质量良好的复合材料。微观组织观察分析表明,基体合金和碳纤维分布均匀,纤维无折断、漂移现象,无明显微观缺陷。对Cf/Al复合材料进行密度和拉伸性能测试,其密度比基体合金降低17.9%,抗拉强度提高100%。热处理实验表明,经过T6热处理,基体合金的组织得到改善,内部应力和缺陷得到有效控制和消除,抗拉强度提高41%,而碳纤维和基体合金热膨胀系数的差异会在复合材料内部产生不良应力,导致其拉伸性能没有提高反而下降16%。     

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。     

不同基体对连续Al2O3f/Al复合材料纤维损伤的影响

采用真空气压浸渗法制备了增强体为Al₂O₃纤维,基体合金分别为1A99、ZL210A、ZL301及7075铝合金的连续Al₂O_3f/Al复合材料,并用NaOH溶液提取出Al₂O₃纤维,研究了不同基体对Al₂O_3f/Al复合材料纤维损伤的影响。结果表明,在同样的制备工艺下,不同的基体对Al₂O₃纤维的损伤程度不同。Al₂O₃纤维与纯铝及ZL210A基体界面反应程度微弱,纤维表面光滑,未发现界面反应产物,纤维剩余强度分别为1 746 MPa和1 658 MPa; Al₂O₃纤维与ZL301发生界面反应生成了MgAl₂O₄(镁铝尖晶石),纤维表面较为粗糙,剩余强度为1 584 MPa; Al₂O₃纤维与...     

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。     

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。     

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。     

深冷处理对连续C_f/ZL301复合材料拉伸强度与残余应力的影响

选用M40石墨纤维(6K)和ZL301铝合金作为增强体和基体,采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数40%的单向连续C_f/ZL301复合材料,研究冷处理及退火处理对连续C_f/ZL301复合材料的拉伸强度和残余应力的影响。结果表明:液氮深冷处理12、24和48 h后可以提高连续C_f/ZL301复合材料的拉伸强度,其中经液氮深冷处理12 h的复合材料强度提高幅度最大,较铸态提高13.5%;干冰冷处理对连续C_f/ZL301的拉伸强度影响不大;而退火处理使连续C_f/ZL301复合材料的强度下降18.6%。影响复合材料拉伸强度的原因应是不同的处理工艺产生的由体积收缩导致的孔隙闭合效应程度不一以及在不同程度上改变复合材料的残余应力。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。