碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊

采用高纯氩气保护炉中钎焊的焊接方法研究了15％SiCp／3003Al复合材料钎焊主要工艺参数对接头剪切强度的影响。结果表明：采用HL402 0．4％mg 0．1％Bi钎料配合钎剂Qj201钎剂，在钎焊温度615℃，保温6min，在3kPa的恒压力作用下，钎料铺展好，钎焊缝致密，获得了较高质量的复合材料钎焊接头，接头剪切强度最高可达35MPa。试验还表明，钎料成分、钎焊温度和保温时间是影响接头强度的主要因素，接头区Al-SiC、SiC-SiC界面是使复合材料钎焊接头强度低于基体合金钎焊接头强度的主要原因。     

全金属组元铁基块体非晶的制备与性能研究

3D打印成型碳纤维接枝碳纳米管增强热塑性复合材料的强度提高

王婼楠¹，吴海宏^1，2，郭子月³，刘春太²，申长雨²

（1. 河南工业大学 机电工程学院，郑州450001; 2.郑州大学 橡塑模具国家工程研究中心，郑州450002; 3.中山大学 数学学院（珠海）,珠海519082）

创新点说明：

1) 研究了碳纤维定量接枝碳纳米管对热塑性复合材料的界面性能及拉伸性能的影响。

2) 用3D打印模压成型的工艺方法制备了热塑性复合材料。

研究目的：

研究碳纤维表面接枝不同含量的碳纳米管对复合材料微观结构、界面性能和力学性能的影响。

研究方法：

1) 采用溶液法，通过控制碳纳米管接枝反应时间，制备不同含量碳纳米管接枝碳纤维，然后用硝酸刻蚀法，去除残留溶剂，验证了碳纳米管接枝的可靠性。用扫描电镜观察碳纤维的微观形貌，用FTIR测试碳纤维表面官能团并用XPS对碳纤维的表面官能团进行分析。

2) 用扫描电镜观察碳纤维与基体的结合情况并用接触角测量仪测试碳纤维与基体的接触角。

3) 通过 3D打印成型法成型了热塑性复合材料样条，并用扫描电镜观察碳纤维热塑性复合材料的界面微观形貌。

4) 采用万能试验机测试3D打印成型热塑性碳纤维复合材料的拉伸性能，并观察复合材料断口形貌。

结果：

1) 溶液法.扫描电镜观察发现碳纳米管在碳纤维表面均匀分布，表明碳纤维与碳纳米管之间存在较强的键合关系。但随着接枝时间的增加，碳纤维表面的碳纳米管含量逐渐增加，但达到0.4%时，出现分散不均匀现象。碳纤维表面含有上浆剂和去掉上浆剂的对比发现，无上浆剂的碳纤维表面沟壑明显，这些沟槽可以增加碳纤维的比表面积和表面能，增强了基体与碳纤维的机械相互作用。用FTIR测试碳纤维表面官能团并用XPS对碳纤维的表面官能团进行分析，结果表明，经偶联剂改性后，C=O键含量明显增加，碳纤维表面引入含氧官能团。C1，O1S峰增强，表明碳纳米管接枝到了碳纤维表面。

2) 扫描电镜结果表明，与表面未接枝碳纳米管的碳纤维相比，接枝碳纳米管的碳纤维与基体PA6具有更好的润湿性。接触角测试结果对比发现，接枝碳纳米管的碳纤维与基体的接触角，明显小于未接枝碳纳米管的。

3) 通过扫描电镜观察复合材料的界面微观形貌，结果表明：纤维与基体之间存在一定厚度的界面层，界面层的存在可以减轻纤维与基体之间的力学性能突变引起的应力集中，并防止界面缺陷的扩展。

4）界面结合强度测试结果表明，当碳纳米管的质量分数增加到0.25%时，复合材料的界面结合强度比未接枝碳纳米管的碳纤维增强的PA6复合材料提高了20%，比表面有环氧的碳纤维复合材料提高了41.8%。然而当碳纳米管含量大于0.4%时，界面结合强度不再继续增加。力学测试表明碳纳米管含量为0.25%的复合材料具有最高的平均模量、拉伸强度和界面剪切强度。接枝碳纳米管的碳纤维复合材料断口形貌可以观察到界面处基体中的韧窝。表明基体树脂在拔出纤维前经历了较大的塑性变形，表明纤维与基体有很好结合性。

结论：

实验结果表明，碳纳米管可以提高表面的润湿性和CF表面粗糙度。碳纳米管接枝碳纤维增强PA6与环氧上浆的碳纤维复合材料相比，当碳纳米管的质量分数达到0.25%时，复合材料的界面结合强度增加了41.8%，拉伸强度提高了130%，界面剪切强度提高了238%。然而，随着碳纳米管含量的继续增加到0.4%时，界面结合强度和力学性能就会下降。

关键词：热塑性复合材料，界面结合强度，界面剪切强度，3D打印成型

     

碳纳米管增强铝基复合材料制备及性能研究

采用真空热压烧结法制备碳纳米管与 SiO2多相增强铝基复合材料,测量复合材料的体积密度,根据其理论密度计算其致密度;再对制得的复合材料进行硬度、抗压强度、抗剪强度等力学性能测试,并观察样品的剪切断口微观形貌,研究 CNTs 对复合材料力学性能的影响。低含量的碳纳米管由于其在铝基体中的分散性及弥散度较好,作为第二相增强相,所制备的铝基复合材料的致密度、硬度、抗压强度与剪切强度均优于高含量碳纳米管增强铝基复合材料。 CNTs 的含量、以及其在铝基体中的弥散度是影响铝基复合材料力学性能的关键因素。     

一种测试胶体与钢质基体间粘结剪切性能的新方法

中国现行国家标准试验方法中的单层金属片搭接接头拉伸剪切试件,由于粘结区剪应力分布极不均匀,并在粘结面上产生很高的拉应力,试验结果不能真实反映胶体与金属基体之间的粘结强度,只能作为胶体质量的检验指标,不能作为强度条件使用。该文采用的组合圆盘粘结试件用于胶层粘结剪切性能测试时,胶层及结合面剪应力分布很均匀,均匀系数可达0.97以上;胶层端部引入圆弧面并对钢质基体进行倒角处理后,粘结面正拉应力可以降低到20 MPa以下,不致引起受拉破坏,因此组合圆盘的测试结果能真实反映胶体与金属基体之间的粘结剪切强度或剪压复合强度,可作为粘结构件承载力设计的强度条件使用。     

碳纳米管对热固性复合材料电阻焊接的增强作用

研究表面接枝碳纳米管(CNTs)的电阻焊发热元件对热固性复合材料焊接头的增强作用.利用玻璃纤维增强聚醚酰亚胺(GF/PEI)薄片制备表面塑化的碳纤维增强双马树脂(CF/BMI)层合板;继而利用表面接枝CNTs的不锈钢网作为电阻焊的发热元件进行焊接.对接枝不同处理时长CNTs的不锈钢网的焊接件进行单搭接拉伸剪切实验,以评...     

碳纤维上电聚合噻吩对复合材料性能的影响

为了改善碳纤维与树脂基体之间的界面性能,以噻吩为单体,采用循环伏安法对碳纤维进行电化学聚合改性.利用扫描电子显微镜研究了电化学聚合改性前后碳纤维的表面结构变化,采用电脑伺服控制材料试验机测试了碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能.结果表明,当噻吩浓度为0.4 mol/L时,峰值电流增加幅度最大,电聚合效果最佳.当循环次数达到60次时,碳纤维表面电化学聚合反应完全,碳纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度可由13.46 MPa增加到23.79 MPa,提高约76.75%.电化学聚合后大量片层状聚噻吩聚合物在碳纤维表面聚集,碳纤维与环氧树脂基体紧密结合,界面性能明显提高.     

纤维表面处理对芳纶/水泥砂浆复合材料力学性能的影响

为了改善纤维与水泥基材的界面黏结,利用低温等离子技术对芳纶纤维作表面处理,通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察处理前后芳纶纤维表面形貌的变化;采用二步法制备短切芳纶纤维增强水泥砂浆试样,利用万能试验机测试低温等离子处理前后试样的弯曲强度的变化。结果表明:低温等离子处理能够有效地改善芳纶纤维的表面形貌;当处理功率为100 W时,芳纶/水泥砂浆复合材料试样的弯曲强度从8.3 MPa提高到了10.5 MPa,提高了26.4%;当处理时间为20 min时,试样的弯曲强度从8.3 MPa增加到9.7 MPa;继续提高处理功率和延长处理时间,试样的弯曲强度反而下降。     

丙烯酸在碳纤维表面的电聚合改性

为了提高碳纤维与树脂基体之间的粘结性能,采用循环伏安法,以丙烯酸为聚合单体对碳纤维进行了电聚合改性.利用傅里叶红外光谱仪和扫描电子显微镜研究了改性前后碳纤维表面的结构变化,并利用电脑伺服控制材料试验机对复合材料进行了力学性能测试.结果表明:当丙烯酸浓度为0.3 mol/L、循环次数为10次时,碳纤维的改性效果最佳;改性后的碳纤维在红外光谱的2 680 cm-1附近出现了—OH特征吸收峰;复合材料的层间剪切强度由10.50 MPa增加到了23.44 MPa,提高了123.21%;改性后碳纤维表面出现了圆片状丙烯酸聚合物层,且可与环氧树脂基体紧密结合.     

时效处理对CuCrSnZn/SnAgCu钎料接头界面及剪切性能影响

为了探讨引线框架铜合金与无铅钎料钎焊接头界面性能,采用扫描电镜及万能材料实验机,分析了引线框架用CuCrSnZn合金与SnAgCu系无铅钎料钎焊接头,在160℃时效不同时间的过程中界面形貌及接头剪切性能的演变过程.结果表明,时效前,钎焊接头界面处形成了一层长针状的Cu6Sn5;不同时间时效处理后,接头界面IMC层厚度有不同程度的增加,Cu6Sn5变长变粗,逐渐离开界面进入钎料内部,靠近铜合金片材基体的一侧会出现极薄的一层Cu3Sn层.无铅钎料钎焊接头时效25h剪切强度可到27.3 MPa,其后逐渐降低.未时效、时效25 h和50 h断裂发生在钎料基体内部,时效至300 h,断裂位置向界面金属间化合物处转移,剪切断口断裂形式逐渐由韧性断裂向脆性断裂转变.     

铜薄膜作中间层的镁铝扩散焊接

采用磁控溅射技术在变形镁合金表面沉积铜薄膜,将其作为中间层对变形镁合金和硬铝合金进行了低温扩散焊接研究.利用超声波显微镜、X射线衍射、扫描电镜、电子探针等对焊接接头界面区域的显微结构及物相等进行了研究.研究结果表明,在镁合金基体上沉积的Cu薄膜主要以(111)、(200)晶向上生长,薄膜表面平整、均匀、致密;在扩散焊接工艺条件焊接温度T=455℃、保温时间t=90 min、压力P=3 MPa下获得了质量较好的Mg/Al焊接接头.焊接接头界面区域由铝镁原子比分别为3∶2,1∶1,12∶17三层镁铝系金属间化合物构成,接头断裂破坏发生在镁铝系化合物层,断口呈现明显的脆性断裂特征.     

Al-12．7Si-0．7Mg合金脉冲MIG焊接头组织与性能

采用进口ER4047作为填充焊丝对Al-12．7Si-0．7Mg合金热挤压板材实施脉冲MIG直缝对焊．利用金相观察、显微硬度测定及拉伸性能测试等方法研究了焊接接头的显微组织与力学性能．结果表明：利用优化的焊接工艺参数,获得了外观和内部质量良好的焊缝,焊接接头平均抗拉强度为180MPa,达到基材的98％．     

TC4钛合金薄板储能焊接头组织与性能

采用微型储能焊机对厚度为0．2mm的TC4钛合金薄板进行了快速连接,并研究了接头组织形貌及焊接参数对接头力学性能的影响。结果表明：储能焊能够实现TC4钛合金薄板的快速凝固焊接,焊接接头由熔核和熔核向母材过渡的熔合区（线）组成。极短的焊接时间和高的冷却速率,使得熔核凝固过程具有快速凝固特征,熔核中凝固组织得到显著细化。当焊接工艺参数为电压250V、电容6600妒、电极力20N时,接头剪切强度可达601MPa。     

Diffusion welding SiCp／ZL101 with Ni interlayer

Through the vacuum diffusion welding SiCp/ZL101 aluminum with Ni interlayer, the effect of welding parameter and the thickness property of Ni on the welded joint was investigated, and the optimal welding parameters were put forward at the same time.Tbe microstrueture of joint was analyzed by means of optical-microscope, scanning electron microscope (SEM) in order to study the relationship between the macro-properties of joint and the microstructure. The results show that diffusion welding with Ni interlayer can be used for welding aluminum matrix composites SiCp/ZL101 successfully. Under the welding parameters T=560℃, P=-5 MPa,t=60 min,H=14 μm, the bonding strength of welded joint can up to 121 MPa. Moreover, the thickness of interlayer should match with the size of reinforced particles. If the thickness of interlayer is too thin, it would have no effect on the welded joint beneficially.If the thickness of interlayer is too thick, it would cause the “no-reinforcement zone“ to appear.     

Effects of carbon nanotubes by electrophoretic deposition on interlaminar properties of two dimensional carbon/carbon composites

Carbon nanotubes(CNTs) were deposited uniformly on carbon cloth by electrophoretic deposition(EPD). Thereafter, CNT-doped clothes were stacked and densified by pyrocarbon via chemical vapor infiltration to fabricate two-dimensional(2 D) carbon/carbon(C/C) composites. Effects of EPD CNTs on interlaminar shear performance and mode Ⅱ interlaminar fracture toughness(GⅡc) of 2 D C/C composites were investigated. Results showed that EPD CNTs were uniformly covered on carbon fibers, acting as a porous coating. Such a CNT coating can obviously enhance the interlaminar shear strength and GⅡc of 2 D C/C composites. With increaing EPD CNTs, the interlaminar shear strength and GⅡc of 2 D C/C composites increase greatly and then decrease, both of which run up to their maximum values, i e, 13.6 MPa and 436.0 J·m-2, when the content of EPD CNTs is 0.54 wt%, 2.27 and 1.45 times of the baseline. Such improvements in interlaminar performance of 2 D C/C composites are mainly beneficial from their increased cohesion of interlaminar matrix, which is caused not only by the direct reinforcing effect of EPD CNT network but also by the capacity of EPD CNTs to refine pyrocarbon matrix and induce multilayered microstructures that greatly increase the crack propagation resistance through "crack-blocking and-deflecting mechanisms".     

热压烧结制备CNTs增强镁基复合材料的研究

对CNTs/Mg/AZ91D混合粉末进行机械球磨,采用热压烧结的方法制备CNTs/Mg/AZ91D复合材料。通过XRD,SEM等对复合材料的物相、组织和断口形貌进行分析。结果表明:复合材料以Mg为主相,含少量的Mg17Al12;复合材料的颗粒界面结合紧密,表现为韧性断裂;断口处CNTs呈拔出或桥联形貌,起到桥联强化和传递载荷的作用;当CNTs质量分数为1.0%时,复合材料显微硬度最大达到61.4 HV,相比不含CNTs的基体材料,显微硬度提高了22.6%。     

工业原料制备Zr-Cu基非晶合金及其压缩断裂行为研究

采用工业原料制备了Φ4 mm的Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金棒材,利用XRD,DSC,SEM分析了该合金体系玻璃形成能力及压缩断裂行为.结果表明:Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金棒材在10,15,20 K/s的升温速度下,过冷液相区△Tx分别为71.2,72.4,68.1 K,具有较大的玻璃形成能力.该非晶合金棒材抗压强度达到1 702 MPa,断口微观形貌为典型的脉络状花纹,在断口与试样连接处发现大量的剪切带存在,同时还产生了局部熔化现象.     

PBT／CNTs复合材料的制备及其导电性能

采用熔融共混法制备聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）／碳纳米管（CNTs）复合材料,研究了不同分散工艺处理的原生CNTs和不同CNTs质量分数对复合材料表面电阻的影响。利用扫描电镜观察了处理后CNTs的分布状态和PBT／CNTs复合材料的微观形貌。结果表明：球磨分散使CNTs有更好的分散效果并更好地提高了复合材料的导电率;随着CNTs质量分数的不断增加,复合材料的表面电阻呈不断下降的趋势,导电阀值出现在CNTs质量分数约为4％时。     

界面微结构对PA6/铝合金连接性能的影响

采用抛光或抛光-化学刻蚀对铝合金表面进行预处理,获得微纳米结构表面,再利用自制模具对铝合金与尼龙6(PA6)进行热压成型。用扫描电镜、激光共聚焦显微镜观察发现,硫酸刻蚀形成的微纳米结构表面有利于树脂在铝合金表面形成良好的机械互锁结构,实现PA6/铝合金优良的连接性能。力学性能测试显示,硫酸刻蚀后的PA6/铝合金连接试样拉伸剪切强度达到了19.1 MPa,界面粘结性能最优,比抛光后的连接试样提高了870%,其失效模式由界面失效变为内聚失效。     

轨道车辆用Al-0.6Mg-0.6Si铝合金焊接技术与接头性能

对轨道车辆车体用新型Al-0.6Mg-0.6Si铝合金型材进行了MIG焊(惰性气体保护金属极电弧焊)试验,利用拉伸试验、光学金相(OM)和扫描电镜(SEM)等方法对焊接接头的成型、气孔缺陷、性能和断口形貌进行了观察和分析.结果表明:Al-0.6Mg-0.6Si铝合金采用70°V型对接形式,使用MIG焊接工艺和表面抛光良好、直径1.2mm的ER5356焊丝,能够获得成型良好的焊接接头.MIG焊接工艺参数为:焊接电流160～180 A,电弧电压18～20V,焊接速度6.0～6.5 mm/s.焊接接头的抗拉强度为266 MPa,断后伸长率为6.1％,断口位于焊缝,断裂形式为韧性断裂,断口呈典型的韧窝结构.     

碳纳米管对镁基材料的强韧化作用

对用搅拌铸造的方法制备的碳纳米管增强镁基复合材料进行了拉伸试验，并对其显微组织进行了观察和分析；同时，用TEM和EDS方法对碳纳米管涂覆层的界面结构和成分进行分析．试验结果表明：采用化学镀镍处理，可在CNTs表面获得均匀且结合力较强的涂覆层，改善其与基体的润湿和结合状况．CNTs对镁基材料具有较好的增强效果，且经过涂覆处理的CNTs，其增强效果更明显．在本试验条件下，CNTs能细化晶粒组织，提高复合材料的硬度和弹性模量．