連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)

所屬分類：建筑論文閱讀次時(shí)間：2016-06-04 16:30

本文摘要：本篇纖維論文通過對(duì)擠壓鑄造制備的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究表明，通過合理的控制擠壓鑄造工藝參數(shù)，可以控制脆性界面想Al4C3的形成。碳纖維表面為Al2Cu相的形成提供了形核條件，同時(shí)，碳纖維的引入使基體合金中典型的Al-Cu共晶相的形成得到了控制或消除

　　本篇纖維論文通過對(duì)擠壓鑄造制備的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究表明，通過合理的控制擠壓鑄造工藝參數(shù)，可以控制脆性界面想Al4C3的形成。碳纖維表面為Al2Cu相的形成提供了形核條件，同時(shí)，碳纖維的引入使基體合金中典型的Al-Cu共晶相的形成得到了控制或消除。碳纖維表面鍍Ni處理后并不影響這一結(jié)果，但鎳層的存在導(dǎo)致了Ni同鋁溶液的反應(yīng)生成NiAl3相。

金屬功能材料

　　《金屬功能材料》(雙月刊)創(chuàng)刊于1994年，系由中國(guó)金屬學(xué)會(huì)功能材料分會(huì)與鋼鐵研究總院合辦的專業(yè)技術(shù)刊物，報(bào)道內(nèi)容以永磁、金屬軟磁、貯氫合金和電池、形狀記憶合金及其它高科技金屬功能材料、生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備等的最新科研成果及發(fā)展動(dòng)向?yàn)橹鳎⒖谴罅繃?guó)內(nèi)外相關(guān)信息及市場(chǎng)動(dòng)態(tài)。

　　【摘要】碳纖維增強(qiáng)鋁基(Cf /Al)復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)一直是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，也是研究的重點(diǎn)。本文采用擠壓鑄造法制備了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并著重研究了合金基體對(duì)復(fù)合材料界面的影響�；w材料為Al-Cu合金，增強(qiáng)纖維為T-300連續(xù)碳纖維。研究表明擠壓鑄造后鋁合金均勻、致密地填充在增強(qiáng)纖維之間，試驗(yàn)結(jié)果中最顯著的發(fā)現(xiàn)是鋁合金固化后的微觀結(jié)構(gòu)受到碳纖維的影響，Al2Cu相以碳纖維表面作為形核位置優(yōu)先在增強(qiáng)纖維和合金基體的界面形成，而基體內(nèi)部共晶相的形成受到抑制。鍍Ni碳纖維增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料中也發(fā)現(xiàn)了相同的情況。

　　【關(guān)鍵詞】連續(xù)碳纖維擠壓鑄造鋁合金復(fù)合材料

　　界面結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(Cf /Al)具有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越特性，受到軍用、民用及一般工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1，2]。同時(shí)，這些優(yōu)越的特性使得Cf /Al可以作為潛在的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，進(jìn)一步擴(kuò)大其在汽車和航空、航天等高端領(lǐng)域應(yīng)用[3，4]。目前碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法主要有熱壓滲透，擠壓鑄造，金屬濺射等工藝[5，6，7]。然而，Cf /Al復(fù)合材料的發(fā)展一直受到碳纖維表面潤(rùn)濕性差、易于同某些鋁合金發(fā)生反應(yīng)等因素的限制[8]。在制備或使用過程中如果碳纖維不能完全被金屬基體浸潤(rùn)或碳纖維同金屬基體間產(chǎn)生過度的化學(xué)反應(yīng)等均會(huì)降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。液態(tài)方法制備Cf /Al復(fù)合材料的過程中，碳纖維-鋁基體界面的反應(yīng)是影響Cf /Al強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[9]，也是很多研究關(guān)注的重點(diǎn)[10]，因?yàn)榻缑媸怯绊戄d荷在基體和纖維之間傳遞的關(guān)鍵因素，尤其是Al4C3脆性相的形成會(huì)直接影響碳纖維的強(qiáng)度。但是，與其他成型方法相比，液態(tài)成型法有其特有的優(yōu)勢(shì)，如生產(chǎn)率高，成本低，可以生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品等。盡管關(guān)于Cf /Al復(fù)合材料的報(bào)道很多，但多數(shù)集中在短纖維作為增強(qiáng)相的研究[11]，即使連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究也主要關(guān)注材料的制備，力學(xué)性能，斷裂行為等[12，13]，卻很少有研究關(guān)注合金基體對(duì)復(fù)合材料性能的影響。因此，本文從基體的角度討論合金對(duì)于擠壓鑄造法制得的Cf /Al復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。

　　1 試驗(yàn)情況

　　試驗(yàn)用金屬基體為Al-Cu合金，其化學(xué)組成及含量見表1。纖維為T-300連續(xù)碳纖維，單絲直徑約7μm(見圖1a)。復(fù)合材料中纖維的體積含量為50%。擠壓鑄造設(shè)備為YA32-200A液壓機(jī)，最大壓力2000KN。擠壓鑄造的工藝參數(shù)為：鋁合金的鑄造溫度為730℃;澆鑄前模具預(yù)熱溫度550℃;鑄造壓力100MPa;保壓時(shí)間2分鐘。為研究復(fù)合材料的界面特性，同時(shí)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行鍍Ni處理(圖1b)，并采用同樣的工藝流程制備了鍍Ni連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

　　復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的研究選用Hitachi S-4700掃描電鏡。材料相結(jié)構(gòu)的確定使用Rigaku D-max-rB X射線儀，波長(zhǎng)為0.15418nm，銅靶。

　　表1基體鋁合金的成分及含量

　　圖1. 纖維表面形貌(SEM)(a)原始的纖維表面形貌;(b)鍍Ni后的纖維表面形貌

　　2 結(jié)果及討論

　　圖2a所示為鋁合金基體的微觀結(jié)構(gòu)，深入觀察發(fā)現(xiàn)Al晶粒比較粗大(約100-300μm)同時(shí)伴隨有共晶結(jié)構(gòu)(灰白色相)存在。EDS分析表明灰白色相為Al2Cu(Al：Cu=67.3：32.7)，這一結(jié)論同XRD分析結(jié)果相吻合(圖2b)，即合金基體由Al和Al2Cu相組成，即典型的Al-Cu合金組織[14]。

　　圖2.(a)鋁合金基體的微觀結(jié)構(gòu)：A-共晶結(jié)構(gòu)，B-Al基體，C-富Ti、V區(qū)域;(b)鋁合金基體的XRD圖譜。

　　圖3. Cf /Al復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)。碳纖維表面的Al2Cu相清晰可見(白色相);(b)Cf /Al復(fù)合材料的XRD分析。(c)纖維表面鍍Ni處理的Cf /Al復(fù)合材料的EDS線掃描分析。白色直線表示掃描軌跡;紅色曲線代表C;綠色曲線代表Al;深藍(lán)色曲線代表Ni;淺藍(lán)色曲線代表Cu;(d)纖維表面鍍Ni處理的 Cf /Al復(fù)合材料的XRD分析結(jié)果。

　　圖3a所示為擠壓鑄造Cf /Al復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。其中Al基體呈現(xiàn)灰色，纖維呈現(xiàn)黑色。EDS分析表明在碳纖維和Al基體之間的灰白相為Al2Cu，這一結(jié)果同樣得到了XRD 分析結(jié)果的確認(rèn)(圖3b)，其中在26°附近的較寬峰為C。之前的研究發(fā)現(xiàn)，Al-Cu合金在固化過程中，Al在相對(duì)較高的溫度固化，低熔點(diǎn)的共晶相在 Al晶粒之間后固化[15，16，17]，而從本文的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)Al2Cu相優(yōu)先在碳纖維表面形成，因此，共晶結(jié)構(gòu)在纖維周圍的基體內(nèi)部受到了抑制或消除。同時(shí)，在該樣品中沒有發(fā)現(xiàn)Al4C3脆性相的形成。

　　圖3c所示為擠壓鑄造的鍍Ni碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。Ni(白色相)圍繞纖維(黑色橢圓截面)周圍析出，而Al2Cu相(灰白色相)則圍繞在Ni的周圍。有趣的是鍍Ni和未鍍Ni處理的碳纖維制得的復(fù)合材料具有相似的微觀結(jié)構(gòu)，即Al2Cu相圍繞纖維四周形成，基體內(nèi)部共晶結(jié)構(gòu)受到抑制或消除。EDS線掃描表明了Ni和Al2Cu的存在。但是與未鍍Ni處理的Cf /Al復(fù)合材料相比，在鍍Ni的Cf /Al復(fù)合材料中Ni層和Al溶液在固化時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成了NiAl3相(圖3d)。同樣，在鍍Ni的Cf /Al復(fù)合材料中同樣沒有發(fā)現(xiàn)形成Al4C3相，纖維和Al之間的反應(yīng)得到了保護(hù)。

　　圖4. (a)Al合金基體的斷口形貌;(b)Cf /Al復(fù)合材料斷口形貌。

　　圖4a 為Al合金基體的拉伸試驗(yàn)斷口形貌，其主要特征表現(xiàn)為大量截面不平整的韌窩和少量光滑斷面，這說(shuō)明基體材料拉伸破壞主要以韌性斷裂為主。然而由于受到界面相的影響，Cf /Al復(fù)合材料斷口形貌明顯不同于基體合金，脆性斷裂占比增大。同時(shí)從斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，由于沒有Al4C3脆性相的形成，纖維和基體的界面結(jié)合良好，這為復(fù)合材料力學(xué)性能的提高提供了有力保障。

　　從以上試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳纖維的引入明顯改變了基體鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)。纖維周圍基體中共晶相的形成受到了抑制或消除。無(wú)論纖維表面是否進(jìn)行了鍍Ni 處理，Al2Cu相均圍繞纖維四周形成，這表明在固化過程中，纖維表面為Al2Cu相提供了形核條件。類似的現(xiàn)象也在其他的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn) [9，10]�；谝陨蠈�(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，從復(fù)合材料界面和性能的角度考慮，控制基體合金的組分及其相結(jié)構(gòu)也很關(guān)鍵。