本文摘要：本篇纖維論文通過對擠壓鑄造制備的碳纖維增強鋁基復(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，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擠壓鑄造制備的碳纖維增強鋁基復(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，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》(雙月刊)創(chuàng)刊于1994年，系由中國金屬學(xué)會功能材料分會與鋼鐵研究總院合辦的專業(yè)技術(shù)刊物，報道內(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)展動向為主，并刊登大量國內(nèi)外相關(guān)信息及市場動態(tài)。
【摘 要】碳纖維增強鋁基(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。本文采用擠壓鑄造法制備了連續(xù)碳纖維增強鋁基復(fù)合材料，并著重研究了合金基體對復(fù)合材料界面的影響�；w材料為Al-Cu合金，增強纖維為T-300連續(xù)碳纖維。研究表明擠壓鑄造后鋁合金均勻、致密地填充在增強纖維之間，試驗結(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)纖維增強鋁基復(fù)合材料(Cf /Al)具有高比強度、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，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，進一步擴大其在汽車和航空、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強度的關(guān)鍵因素[9]，也是很多研究關(guān)注的重點[10]，因為界面是影響載荷在基體和纖維之間傳遞的關(guān)鍵因素，尤其是Al4C3脆性相的形成會直接影響碳纖維的強度。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，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)合材料的報道很多，但多數(shù)集中在短纖維作為增強相的研究[11]，即使連續(xù)碳纖維增強鋁基復(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 試驗情況
試驗用金屬基體為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，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;保壓時間2分鐘。為研究復(fù)合材料的界面特性，同時對碳纖維表面進行鍍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;深藍色曲線代表Ni;淺藍色曲線代表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(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在相對較高的溫度固化，低熔點的共晶相在 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，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。
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。無論纖維表面是否進行了鍍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鋁基復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn) [9，10]�；谝陨蠈嶒灲Y(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。
轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/8318.html
