连续Cf/Al复合材料板双辊铸轧制备及力学性能研究

本文利用电镀工艺制备了表面镀镍碳纤维,通过双辊铸轧短流程成型工艺成功制备了连续碳纤维增强铝基（Cf/Al）复合材料板,研究了浇注温度对铸轧复合材料板的微观组织、界面特征、断口形貌和力学性能的影响。结果表明,浇注温度为963～983K,轧制速度为2.7m/min,辊缝为2.0mm的条件下可制备出表面平整、无明显表面缺陷的Cf/Al铸轧复合材料板;其中,浇注温度为973K时,碳纤维与铝基体之间界面结合良好;纤维表面金属镍层明显改善了碳纤维与铝基体之间的浸润性,镍镀层还有效抑制了Al4C3脆性相的产生,使Cf/Al复合材料板力学性能大幅提升,其中浇注温度973K铸轧的Cf/Al复合材料板抗拉强度比初始的38.2MPa提高了87.4%。     

碳纤维增强铝基复合材料的制备及力学性能研究

碳纤维增强铝基复合材料(Cf/Al)具有很多优良特性,作为结构材料和功能材料在航空航天等领域有着广泛的应用前景。本试验采用挤压铸造法制备了连续碳纤维增强铝基复合材料,分析了复合材料的微观形貌、界面特征及力学性能。基体材料为Al-Cu合金,增强纤维为T-300连续碳纤维。通过合理的控制工艺参数,挤压铸造后铝合金均匀、致密地填充在增强纤维之间,纤维和基体的结合界面良好,纤维表面镀镍及未镀镍的Cf/Al复合材料界面均未发现Al4C3脆性相。纤维体积分数为50%的铝基复合材料抗拉强度和弹性模量分别为512 N/mm2和163 GPa,显著高于金属基体的。     

B4C/Al复合材料力学性能及其断裂机理的研究

对无压浸渗法制备的B4C/Al复合材料进行了力学性能测试。结果表明,B4C/Al复合材料的抗弯强度和断裂韧性与单一B4C材料相比有显著提高。B4C/Al复合材料的抗弯强度及断裂韧性分别比单一B4C提高了18.39%和75.27%,但其硬度降低。B4C/Al复合材料经扫描电镜和背散射仪分析后发现,无压浸渗法制备的B4C/Al复合材料中没有大尺寸的显微缺陷,组织分布比较均匀、致密;B4C以连续的骨架结构存在,而渗入的铝相也以连续基体的形式存在;单一B4C存在较多的穿晶断裂,而B4C/Al复合材料的断裂方式主要以沿晶断裂为主,这是B4C/Al复合材料断裂韧性提高的主要原因。     

SiC晶须增强硬Al合金复合材料的界面析出及其对性能的影响

本文对粉末冶金法制备的SiC晶须增强2124Al和2024Al两种复合材料进行了拉伸试验和断口观察,TEM和HREM证实在SiC_w/2024Al界面处存在链状不连续分布的θ(Al_2Cu)沉淀相,这种沉淀相降低了复合材料的室温强化效果,并对其塑性产生不利的影响。     

B_4C/Al-Si复合材料的制备

采用真空无压烧结法,制备了多孔碳化硼(B4C)骨架,致密度为46.8%.然后采用真空无压浸渗法,以A356铝合金为渗体,与B4C骨架进行复合.制备了B4C/Al-Si复合材料,致密度达99%以上,抗压强度为453 MPa,弯曲强度为294 MPa.微观结构分析结果表明,制备的复合材料组织致密,形成的Al、Si、Al3BC相分布均匀,界面复合良好.Al主要分布在B4C颗粒间,Si相主要分布在B4C和Al的界面处,使B4C和Al紧密结合,且试样的表面和心部均有分布均匀的Al存在.制备的B4C/Al-Si复合材料中B4C形成连续的骨架结构,而孔隙处的金属相则起到增韧、增强的作用.     

热等静压制备CF/Al复合材料的微观结构及性能

采用热等静压(HIP)工艺制备连续碳纤维(CF)增强Al基复合材料。利用扫描电镜、粒度仪和X射线衍射仪表征2A12铝合金粉末形貌、粒度分布和相组成;利用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪观察复合材料的显微组织、断口形貌和界面扩散反应特征,并对其主要力学性能进行测试。结果表明:粉末形貌呈球形,粒度主要分布在150~180μm;复合材料致密,界面连接紧密无孔洞缺陷;与基体铝合金材料相比,复合材料的拉伸强度和断后伸长率分别提高5%和54%,断裂方式为脆性断裂;Al基体裂纹起源于粉末颗粒界面,CF/Al界面断口呈现CF拔出和断裂失效形式;CF/Al界面发生元素扩散,界面反应生成Al4C3金属间化合物。     

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。     

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。     

连续C_f/Al复合材料碳纤维SiC涂层研究进展

连续Cf/Al复合材料日渐成为最具发展潜力的先进复合材料之一,近净成形技术是决定其能否大规模工程化应用所亟待解决的关键技术难题,而连续Cf/Al复合材料的低压浸渗制备是最可能的工艺方法之一。但Cf与Al之间润湿性差、碳纤维的高温氧化以及Cf与Al的界面反应都影响浸渗和材料的性能,采用碳纤维表面涂覆SiC涂层是解决上述问题的重要途径。分析了连续碳纤维SiC涂层不同制备技术的优缺点,探讨了制备技术的发展方向;分析了涂层对连续Cf/Al复合材料浸渗及性能的影响,并指出SiC涂层用于制备连续Cf/Al复合材料存在的问题及其发展前景。     

浸渗温度对SiC/Al双连续相复合材料界面组织和导热性的影响

采用原位反应无压浸渗工艺,制备了Si C/Al双连续相复合材料,研究烧结温度对Si C/Al双连续相复合材料的导热性能的影响,观察Si C/Al双连续相复合材料的表面形貌。结果表明:Al合金熔体在无压下能渗入三维网状Si C多孔陶瓷孔隙,形成组织均匀具有网络贯穿结构的Si C/Al双连续相复合材料。浸渗温度对复合材料的导热系数影响很大,当浸渗温度为900、1000、1100和1200℃时,复合材料室温下的导热系数分别为167.4、160、154和152 W/(m·K),与浸渗温度900℃相比,浸渗温度1200℃复合材料室温下的导热系数下降了9%。因此,在保证浸渗完全的情况下,随着浸渗温度的升高,复合材料的导热性能越来越差,这主要是由于高温下熔融Al液与Si C陶瓷之间发生界面反应所致;适当地降低熔渗温度可以减缓界面反应的程度,从而提高复合材料的导热性能。本实验的最佳工艺条件为N2气氛,900℃保温3 h。     

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。     

保温处理对B_4C/Al复合材料组织和性能的影响

为了降低无压浸渗制备的B4C/Al复合材料中铝的含量,增加复合材料中陶瓷相的含量,并提高复合材料的性能,研究了保温处理对B4C/Al复合材料的组织和性能的影响。结果表明,无压浸渗制备的B4C/Al复合材料中主要包含Al、B4C和Al3BC相,保温处理可有效减少B4C/Al复合材料中Al和B4C的含量,并显著提高Al3BC和AlB2相的含量。由于保温处理后B4C/Al复合材料中Al含量明显减少,以及陶瓷相含量明显增多,B4C/Al复合材料的硬度、抗压和抗弯强度均得到了较大的提高。且在850℃下保温24h后,B4C/Al复合材料的组织和性能可达到最佳状态。     

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。     

影响C_f/Al复合材料界面结构及性能的因素

综述了增强纤维、纤维表面涂层、基体合金化以及制备工艺对Cf/Al复合材料界面结构及性能的影响,并对Cf/Al复合材料未来的发展趋势进行了分析和展望。     

含高体积分数SiC_p的Al复合材料微观组织及弯曲性能

利用无压浸渗法制备高体积分数SiC的SiC_p/Al复合材料.采用XRD和SEM对复合材料的相组成、微观组织及断口形貌进行分析,研究颗粒粒径分布和基体合金成分对复合材料抗弯性能的影响.结果表明:以Al-10Si-8Mg(质量分数,%)合金为基体制备的复合材料组织均匀,致密度好,无明显气孔缺陷;界面反应产物为Mg2Si、MgAl_2O_4和Fe,其弯曲强度高于以Al-10Si合金为基体制备的复合材料的弯曲强度;SiC_p/Al复合材料的弯曲强度随着SiC颗粒粒径的增大而减小;复合材料整体上表现出脆性断裂的特征.     

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.     

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。     

反应熔渗法制备Mo(Si,Al)2-SiC复合材料的研究

通过尝试对MoSi2+C坯体中熔融渗Al制备了Mo(Si,Al)2-SiC复合材料,并对其组织及性能进行了研究.反应熔渗Al法制备Mo(Si,Al)2-SiC复合材料中,反应生成物主要为Mo(Si1-x,Alx)2和SiC相,还有少量Mo5Si3C和Al相.随着x值的增加,Mo5Si3C相和Al相逐渐减少,并消失.其组织为片状Mo(Si,Al)2组织间隙中分布着针尖状SiC颗粒;从断口形貌看,SiC颗粒非常细小,团聚在大的Mo(Si,Al)2颗粒周围.根据断口形貌,部分形成的SiC为晶须状,当x=0.4时,形成的SiC多为晶须状,并且形成的晶须状的SiC和Mo(Si,Al)2连成片.反应熔渗Al法制备复合材料抗弯强度是随着x值先增加后降低,在设计值x=0.237时取得最高值.     

反应熔渗法制备Mo(Si,Al)2-SiC复合材料的研究

通过尝试对MoSi2+C坯体中熔融渗Al制备了Mo(Si,Al)2-SiC复合材料,并对其组织及性能进行了研究.反应熔渗Al法制备Mo(Si,Al)2-SiC复合材料中,反应生成物主要为Mo(Si1-x,Alx)2和SiC相,还有少量Mo5Si3C和Al相.随着x值的增加,Mo5Si3C相和Al相逐渐减少,并消失.其组织为片状Mo(Si,Al)2组织间隙中分布着针尖状SiC颗粒;从断口形貌看,SiC颗粒非常细小,团聚在大的Mo(Si,Al)2颗粒周围.根据断口形貌,部分形成的SiC为晶须状,当x=0.4时,形成的SiC多为晶须状,并且形成的晶须状的SiC和Mo(Si,Al)2连成片.反应熔渗Al法制备复合材料抗弯强度是随着x值先增加后降低,在设计值x=0.237时取得最高值.     

Cf增强Ti/Al基层状复合材料的组织与性能研究

利用箔-纤维-箔（FFF）法结合真空热压（VHP）技术制备新型的Cf增强Ti/Al基层状复合材料。借助扫描电镜（SEM）,能谱分析（EDS）,X射线物衍射物相分析测试（XRD）,弯曲实验,压缩实验等对不同热压工艺参数下材料的组织及性能进行研究。结果表明,最佳热压工艺为700℃-30MPa-1h,材料弯曲强度可达469MPa,抗压强度可达324MPa。新型Cf增强Ti/Al基层状复合材料结构为韧-脆相交替的叠层,该结构可有效阻碍裂纹扩展并延长其扩展路径,吸收大量的断裂能,以此提高材料的性能。在Ti/Al界面处生成Al3Ti和Ti5Si3强化相;在Al/Cf界面处形成了Al4C3和SiC相。Si元素促进Ti、Al结合及强化相Ti5Si3的析出,并提高Al、C润湿性。