不同基体合金制备的C_f/Al复合材料微观组织及力学性能的研究

【摘要】：连续碳纤维增强铝基复合材料(简称:Cf/Al复合材料)具有轻质、比强度高、比刚度高、耐磨性好、高温性能好等优异性能,因此,倍受航空航天、国防军工行业的关注,已发展成为现代国防军工领域最具战略意义的结构材料之一。目前真空气压浸渗法是Cf/Al复合材料近净成形的主要方法,但碳纤维与铝合金基体之间润湿性差,浸渗过程中复合材料界面反应程度难以控制。因此,如何实现铝液的完全浸渗及减少C与Al的界面反应成为真空气压浸渗法制备Cf/Al复合材料需要优先解决的问题。目前主要解决途径有控制预热温度和浸渗温度、碳纤维表面镀层及在基体合金中加入合金元素等,本文主要研究基体合金对Cf/Al复合材料的微观组织和力学性能的影响。本文选用ZL102、ZL114A、ZL205A和ZL301铝合金分别作为基体合金和石墨纤维M40作为增强体材料,采用真空气压浸渗法制备碳纤维体积分数为40%的Cf/Al复合材料。采用XRD、TEM、SEM和EDS等多种分析方法对复合材料的致密度、显微组织、相组成与元素分布、界面形貌与生成相及拉伸性能等进行测试表征,研究基体合金对复合材料致密度、浸渗组织和力学性能的影响,理论分析Cf/Al复合材料真空气压浸渗过程中的致密化机制和断裂失效机理。取得以下研究成果:Cf/ZL301复合材料中纤维分布最均匀,显微组织上未发现明显的孔洞缺陷,而Cf/ZL102复合材料和Cf/ZL114A复合材料中少量纤维聚集在一起,纤维聚集处产生了浸渗微孔;Cf/ZL205A复合材料中大量纤维团聚在一起,显微组织上存在明显的孔洞缺陷。相同的浸渗条件下,ZL102、ZL114A、ZL205A和ZL301合金制备的四种Cf/Al复合材料中,Cf/ZL301复合材料的致密度最大为99.9%,Cf/ZL114A复合材料致密度最小也达到了96.4%,基本实现了完全浸渗。不同基体合金制备的Cf/Al复合材料的致密化程度的差异主要是铝合金中不同的合金元素所致。Mg元素均匀地分布在基体合金中,能改善铝液和碳纤维的润湿性,降低铝液的表面能,铝液能更好地浸渗纤维间隙;Si元素大量富集在纤维表面,能降低铝液的粘度,增加铝液的流动性;Cu元素在ZL205合金中发生偏析,碳纤维容易发生团聚现象,铝液很难浸渗纤维团聚的区域。Cf/ZL301复合材料的断口参差不齐,有纤维拔出,属于典型的韧性断裂;而Cf/ZL102复合材料和Cf/ZL114A复合材料的断口平齐,无纤维拔出,属于典型的脆性断裂;Cf/ZL205A断口较平齐,少量纤维脱黏拔出,部分区域断口呈阶梯状,这些区域裂纹在纤维内部扩展发生脆性断裂。四种复合材料中,Cf/ZL301复合材料的拉伸强度最大为670.2MPa,比相同铸态下ZL301合金强度高544.2Mpa;而Cf/ZL205A复合材料的拉伸强度仅为336.9MPa,比相同铸态下高强度的ZL205A强度高167MPa;Cf/ZL102复合材料和Cf/ZL114A复合材料拉伸强度小,与相同铸态下铝合金的强度相当。不同基体合金制备的Cf/Al复合材料的断裂失效方式的不同是铝合金本身的性质以及界面反应程度所致的。ZL301合金中由于Mg元素的存在,铝液与碳纤维的润湿性好,且Mg与Al反应能阻碍Al4C3的生成,界面反应适中,基体开裂后,界面脱黏,Cf/ZL301复合材料发生韧性断裂;由于ZL205元素Cu元素的偏析,碳纤维发生团聚现象,部分区域的界面反应过强,导致Cf/ZL205A复合材料在较低应力下发生阶梯形脆断;Cf/ZL102复合材料和Cf/ZL114A复合材料中,大量硬而脆的Si在界面附近富集,这些Si富集的地方会成为裂纹源,导致复合材料在低应力下发生脆性断裂。在纤维预制体单向排布的实验基础上,本文还进行了M40纤维三维编织,ZL301为基体合金,采用真空气压浸渗法制备三维编织Cf/Al复合材料。研究发现:三维编织Cf/Al复合材料的致密度也达到了97.9%,三维编织预制体碳纤维束与束之间浸渗完好,只有间隙小的纤维之间有铝液未浸渗,复合材料整体浸渗效果较好;三维编织Cf/Al复合材料的拉伸强度为665.8MPa,从宏观上观察其断口,可以看出其断口参差不齐,有纤维拔出;三维编织Cf/Al复合材料的泊松比为0.74,具有各向异性;三维编织Cf/Al复合材料的弹性模量为200.5GPa,与钢的弹性模量相当。
【关键词】：Cf/Al复合材料 真空气压浸渗法 基体合金 微观组织 力学性能
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB333