三维编织C_(f)/Al复合材料T型件振动疲劳性能

采用真空压力浸渗法制备的三维编织C_(f)/Al复合材料具有良好的力学性能,在航空航天等领域的应用上具有较大潜力。本工作以三维编织C_(f)/Al复合材料为研究对象,对其在不同加载应力下进行振动疲劳实验,并观察疲劳实验后其断口处的微观结构。结果表明:加载应力越大,达到疲劳稳定阶段时T型件的固有频率降幅百分比也越大,即对T型件内部结构的破坏也越显著;对不同加载应力下的疲劳数据进行拟合,绘制S-N曲线,得到T型件振动疲劳损伤演变规律的数学模型,可用于预测三维编织C_(f)/Al复合材料的疲劳寿命;对实验后T型件进行断口处的宏观和微观分析,发现实验后的T型件呈现典型的脆性断裂特征。

C_(f)/SiC复合材料铣削特性的三维有限元分析及试验验证

碳纤维增强碳化硅(C_(f)/SiC)复合材料具有高强度、耐磨损和各向异性等特点,导致材料加工非常困难。本文开展了聚晶金刚石(PCD)刀具铣削C_(f)/SiC复合材料的三维有限元仿真和试验,研究了复合材料的切削特性;研究了加工参数对切削力的影响,以及不同纤维切削角下的材料去除机理。通过用户自定义的子程序在ABAQUS/CAE软件中建立了有限元切削仿真模型,仿真分析了加工参数对切削力的影响,并开展了验证试验。结果表明,有限元仿真和试验得到的X和Y方向的切削力具有良好的一致性。随着切削速度的增加,切削力降低;随着每齿进给量的增加,切削力升高。当沿着纤维方向进行切削时,刀具刃口的应力最小;随着纤维切削角的增大,刃口应力升高。本文可为C_(f)/SiC复合材料切削特性研究提供指导。

三维六向编织SiC_(f)/SiC复合材料的力学行为及其损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役过程中因拉伸和弯曲导致的失效问题,以三维六向编织SiC_(f)/SiC复合材料为研究对象,分析了受力过程中复合材料力学行为与纤维及结构的联系机制。采用微计算机断层扫描技术获得材料结构及孔隙的三维图像,对复合材料纵向和横向进行拉伸、弯曲性能测试,并阐明其损伤机制。结果表明:复合材料呈现明显的各向异性特性,纵向拉伸强度和弯曲强度分别是横向的10.37、5.06倍;复合材料不同方向受力的损伤模式不同,拉伸载荷下纵向试样裂纹沿着六向纱呈Z字形扩展,而横向试样裂纹沿着编织轴向扩展,最终导致拉伸破坏;弯曲载荷下裂纹沿着厚度方向扩展,并最终导致纵向及横向试样的韧性断裂,且纵向韧性优于横向。

纤维预热温度对3D-C_f/Al复合材料显微组织及力学性能的影响

采用真空气压浸渗法制备纤维体积分数为51%的三维五向编织M40碳纤维增强铝基复合材料(3D-C_f/Al),研究纤维预热温度对3D-C_f/Al复合材料显微组织与力学性能的影响,并对比研究3D-C_f/Al复合材料与单向连续C_f/Al复合材料的差异。结果表明:复合材料致密度随着编织体预热温度的提高而增大,提高预热温度可有效减少复合材料内部孔洞和纤维偏聚等浸渗缺陷;复合材料的拉伸强度随纤维预制体预热温度的提高而显著降低。其中,在预热温度500℃、浸渗温度720℃、浸渗压力7 MPa和保压时间20 min的工艺条件下,所制备的3D-C_f/Al复合材料致密度为97.3%,拉伸强度为777.8 MPa,弹性模量为186.1 GPa。

2.5D机织C_(f)/Al复合材料热残余应力与热变形细观力学分析

采用细观力学数值模拟与热性能实验结合的方法,研究2.5D机织C_(f)/Al复合材料降温热变形行为和热残余应力分布。根据解析法计算的纱线轴/横向热膨胀性能和纱线空间分布结构,建立复合材料细观力学有限元模型,计算得到的宏观热应变-温度曲线与热变形实验曲线吻合较好。复合材料制备后经纱和纬纱主要处于残余压应力状态,且纬纱表现出较高的残余应力水平;基体合金则主要处于残余拉应力状态,最大拉应力出现在经纱界面处并导致经纱与纬纱之间的区域出现局部界面脱粘,降低热残余应力是改善复合材料力学性能的重要技术手段。

三维五向Cf/Al复合材料不同温度下的轴向弯曲变形力学行为

以三维五向结构编织M40J碳纤维预制体为增强体,ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备三维五向C f/Al复合材料,研究了三维五向C f/Al复合材料微观组织特征和相组成,分析了轴向弯曲变形力学行为及其弯曲破坏处的宏观形貌。结果表明:轴向纤维分布均匀,编织纱存在少量浸渗缺陷,界面存在脆性Al 4C 3相,均是影响弯曲力学性能的关键。复合材料轴向弯曲变形力学行为均呈现出显著的非线性特征,复合材料的室温、350℃和400℃变形过程均可划分为弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和塑性断裂阶段。

3D-C_(f)/Al复合材料的微观组织与剪切性能

研究了真空压力浸渗法制备的两种3D-C_(f)/Al复合材料的微观组织,测试了在25、350及400℃时的剪切性能并分析了剪切失效机制。结果表明,三维五向与三维正交C_(f)/Al复合材料的致密度分别为97.8%和99.2%,两种复合材料都存在少量微孔缺陷,由于三维五向较三维正交结构而言,纤维束间的交织点数量多、纤维丝间的间隙小以及浸渗过程中铝液受到多个方向纤维束作用而导致的微孔缺陷要多;三维五向C_(f)/Al复合材料25、350和400℃的剪切强度分别为90.8、55.1和43.6 MPa,三维正交C_(f)/Al复合材料的则为27.3、33.7和25.2 MPa。造成两者复合材料剪切强度差异的原因主要是由于两者预制体中纤维承载方式不一样。其中,两种复合材料剪切破坏产生于“V”型口铝合金与碳纤维界面损伤处,剪切断口呈近似45°破坏,纤维束的受力变形导致两种复合材料剪切行为失效。

深冷处理对叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料组织特征和拉伸性能的影响

以M40J-6K叠层穿刺结构碳纤维为增强体,ZL301合金为基体,采用真空气压浸渗法制备叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料,研究单次深冷处理时间(6、12和48 h)、循环深冷处理次数(1、3和9次)对复合材料拉伸性能和组织特征的影响,并对拉伸性能提高的原因进行了分析。结果表明,深冷处理可以提高叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料的拉伸性能,改善组织特征。单次深冷处理可以提高复合材料的抗拉强度,而对拉伸模量的影响较小,抗拉强度以深冷处理6 h时提高幅度最大,较无深冷处理下的559 MPa提高至664 MPa,提高了18.8%;当延长处理时间至12和48 h时,抗拉强度基本趋于稳定。与单次深冷处理相比,循环深冷可以进一步提高叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料的抗拉强度和拉伸模量,3次循环深冷处理后的抗拉强度和弹性模量,较单次深冷下的676 MPa、125 GPa分别提高至706 MPa、138 GPa,分别提高了4.4%、10.4%;当继续增加深冷循环至9次时,抗拉强度和拉伸模量趋于稳定。深冷处理后叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料应力释放及状态的改变、致密度提高、晶粒择优取向、基体位错密度增高是影响复合材料宏观拉伸性能的主要原因。

纤维编织结构对3D-C_(f)/Al复合材料弯曲性能的影响

为研究纤维编织结构对三维编织C_(f)/Al复合材料弯曲性能的影响,选用TZ700S碳纤维作为增强纤维,通过加入轴纱改变编织结构,制备了三维四向和三维五向、全五向3种编织结构的纤维预制体。通过压力浸渗法制备了基体合金为7075铝合金的3D-C_(f)/Al复合材料,测试了弯曲力学性能并观察了断口的形貌。结果表明,3D-C_(f)/Al复合材料的弯曲性能高于基体弯曲性能,其中三维四向C_(f)/Al复合材料的弯曲强度为346.7 MPa。加入轴纱后的三维五向、全五向C_(f)/Al复合材料的弯曲性能和断裂应变均高于三维四向C_(f)/Al复合材料,而加入更多轴纱的全五向复合材料的结构性能更好,弯曲强度为399.7 MPa。

C_(f)/Al复合材料复合编织结构T型件弯曲性能

以航空发动机中典型结构T型件为研究对象,选用三维五向(立板)和叠层缝合(底板)两种结构复合编织了T型件预制体,采用真空压力浸渗法制备了C_(f)/Al复合材料复合编织结构T型件。分别进行了室温和350℃条件下的两点弯曲试验,探究了不同温度下复合材料T型件的弯曲性能,分析了T型件微观组织特征、弯曲载荷-位移曲线、破坏形貌及其失效机制。结果表明:C_(f)/Al复合材料三维复合编织结构T型件微观组织无明显缺陷,且两种编织结构缝合较完整。室温条件下,T型件平均弯曲强度为384.2 MPa;350℃条件下,平均弯曲强度为204.6 MPa。其室温和350℃弯曲载荷-位移曲线呈现非线性特征,且都存在线性弹性阶段、塑性变形阶段、失效卸载阶段。复合材料弯曲失效后,没有碎裂和断裂,仍保持结构的完整性。但由于根部是由两种不同编织结构缝合而成以及根部圆角的存在,容易使根部产生应力集中,以致失效部位集中在根部。

冷却速率对C_(f)/Al复合材料组织及性能的影响

为了改善碳纤维增强铝基(C_(f)/Al)复合材料中由于碳纤维与基体间导热系数相差较大、容易在复合材料内部引起铸造缺陷的问题,采用超声振动结合顺序凝固的方法制备了连续C_(f)/Al复合材料,并详细分析了凝固方式对复合材料组织及性能的影响。建立并计算了连续C_(f)/Al复合材料的凝固模型,并对结果进行了比较。结果表明,当复合材料内部存在沿纤维轴向的温度梯度时,有利于改善复合材料中心部位产生缺陷的问题。随着冷却速率的提高,复合材料内部的缺陷位置会逐渐向远离冷却端偏移,复合材料的中心处的碳纤维周围的气孔缺陷也会随着冷却速率的提高逐渐减少直至消失。在沿纤维轴向冷却速率为5.42 K/s时,制备的C_(f)/Al复合材料比相同条件下自然冷却得到试样的强度提升了62.5%,这是因为碳纤维周围气孔缺陷的减少有利于复合材料性能的提高。

国产M55J级碳纤维三维编织C_(f)/Al复合材料组织与性能

以国产碳纤维M55J为增强体材料,ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备三维五向M55J/Al基复合材料,对其致密度、微观组织以及拉伸性能进行研究,并将纤维从复合材料中提取观察分析纤维的损伤情况。结果表明,三维五向M55J/Al复合材料的致密度较高,达到97.8%,浸渗效果良好。浸渗后M55J纤维单丝平均抗拉强度为3440 MPa,平均弹性模量为513 GPa,较原丝均有所下降。三维五向M55J/Al复合材料在室温及350℃下的抗拉强度分别为601.3和689.7 MPa,弹性模量分别为181.6 GPa和146.7 GPa,高温强度较高可能是由于高温使得基体对编织纱的束缚减小,拉伸过程无明显的屈服与颈缩现象。

叠层缝合碳纤维增强铝基复合材料低速冲击及冲击后剩余压缩力学性能

以铝合金ZL301为基体,碳纤维叠层缝合织物为增强体,采用真空压力浸渗工艺制备叠层缝合碳纤维增强铝基(叠层缝合C_(f)/Al)复合材料。通过室温落锤冲击实验,研究冲击载荷及能量随时间的变化行为规律,采用光学显微镜和工业数字X射线成像系统观测其冲击损伤形貌,分析冲击损伤机理。通过冲击后压缩(CAI)实验,研究复合材料在不同冲击能量下沿经纱方向的剩余强度,观察压缩试样宏观与微观断口形貌,分析压缩失效机制。结果表明:冲击载荷作用下叠层缝合C_(f)/Al复合材料发生了显著的局部损伤,正面损伤区域出现了较明显的凹坑,而其背面出现明显的沿经向的裂纹,裂纹长度随冲击能量增加而增大,损伤模式主要表现为基体开裂和纤维断裂拔出;冲击后的经向压缩强度随冲击能量的增大而下降,压缩后的复合材料出现了从冲击裂纹端部沿纬纱方向扩展到试样边缘的横向裂纹,压缩宏观断口中纱线结构破坏严重程度随冲击能量的增加而加重,而压缩后的微观断口均呈现出纤维剪切断裂后参差不齐的形貌。

国产M50J级碳纤维/铝基复合材料的微观特征及拉伸性能研究

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维因具有高强高模的特性而在众多领域被广泛使用。近年来,我国高性能碳纤维的制备技术取得了较大突破,为促进国产高性能碳纤维在铝基复合材料领域的实际工程应用,本工作以国内研制的M50J碳纤维为增强体材料,选用ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备了纤维体积分数为45%的单向连续M50J/Al复合材料。研究了该工艺条件下M50J/Al复合材料的微观组织和界面反应程度及其在室温、350℃下的拉伸性能。结果表明:M50J/Al复合材料的平均致密度为98.86%,碳纤维在复合材料中的分布较为均匀,在基体合金中未发现明显的缩孔缩松现象,复合材料主要由C、Al以及少量Al_(3)Mg_(2)和Al_(4)C_(3)相组成,M50J与ZL301基体在界面处出现反应产物,应为脆性离子碳化物Al_(4)C_(3),其尺寸较小,呈细杆状;复合材料在室温及350℃下的平均拉伸强度分别为856 MPa和774.7 MPa,平均拉伸模量分别为204.3 GPa和197.3 GPa,从复合材料中萃取出的M50J碳纤维单丝的平均拉伸强度和模量分别为3280 MPa、447 GPa,与铝合金复合后纤维丝强度发生一定程度的下降,界面结合和微观缺陷是影响复合材料拉伸性能的主要因素。

3D-C_f/Al复合材料真空气压浸渗工艺研究

三维编织碳纤维增强铝基复合材料（3D-Cf/Al复合材料）具有耐冲击、不分层、抗开裂、耐疲劳、整体性强等优点,但浸渗过程中存在难以浸渗和过度界面反应等问题。在采用真空气压浸渗制备单向排布Cf/Al复合材料的工艺试验基础上,进行了三维五向编织Cf/Al复合材料的真空气压浸渗工艺研究,得到了3D-Cf/Al复合材料真空气压浸渗成形工艺参数。在预热温度为500~550℃、浸渗温度为730℃、保压时间为20min时,制备出的3D-Cf/Al复合材料浸渗良好,其致密度达到95.88%,抗拉强度达到782.33 MPa。

碳纤维编织结构对C_(f)/Al复合材料拉伸性能的影响

将M40J碳纤维以两种编织结构(三维正交和叠层缝合)织成预制体,用真空气压浸渗法制备C_(f)/Al复合材料,分别对两种结构的含缺口试样及相同尺寸的光滑试样进行拉伸力学性能试验,通过SEM、TEM对材料的微观组织和界面特征进行观察分析,研究两种编织结构C_(f)/Al复合材料含缺口试样的拉伸性能,讨论缺口对复合材料性能的影响以及不同编织结构的复合材料对缺口的敏感程度。结果表明,缺口使两种编织结构的C_(f)/Al复合材料拉伸性能均明显减弱,三维正交C_(f)/Al复合材料缺口试样的抗拉强度较光滑试样下降了141.3 MPa,降幅约为23.7%,其缺口拉伸敏感系数为1.31;叠层缝合C_(f)/Al复合材料缺口试样的抗拉强度较光滑试样下降了121.8 MPa,降幅约为28.9%,缺口拉伸敏感系数为1.41。叠层缝合结构对缺口较三维正交结构更为敏感。

连续C_(f)/Al复合材料板双辊铸轧制备及力学性能研究

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制备了连续碳纤维增强铝基(C_(f)/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,在浇注温度为963、973、983 K,轧制速度为2.7 m/min,辊缝为2 mm的条件下可制备出表面平整、无明显表面缺陷的C_(f)/Al铸轧复合材料板;浇注温度为973 K时,碳纤维与铝基体之间界面结合良好;纤维表面的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Al_(4)C_(3)脆性相的产生,使C_(f)/Al复合材料板力学性能大幅提升,其中浇注温度为973 K铸轧的C_(f)/Al复合材料板,其抗拉强度比基体的38.2 MPa提高了87.4%。

保压时间对3D-SiC_f/Al复合材料组织及力学性能的影响

选用三维五向编织结构的SiC纤维为增强体,采用真空辅助压力浸渗法制备纤维体积分数为48%的3D-SiC_f/ZL301复合材料,研究了浸渗保压时间对3D-SiC_f/Al复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明,复合材料的致密度随着保压时间的延长而增大,达到99.0%,延长保压时间可以减少复合材料纤维束内空隙和团聚现象;而复合材料的抗拉强度则随着保压时间的增加呈先上升后下降的趋势,这是由于过强的界面反应导致复合材料的力学性能恶化。

真空气压浸渗3D-C_f/Al复合材料微观缺陷分析

采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数51%、致密度≥97%的三维五向和三维正交编织M40碳纤维增强铝基复合材料(3D-C_f/Al),分析了复合材料中微观缺陷的形貌、形成机理及其控制手段,并对比了2种编织结构对复合材料微观缺陷形成的影响。结果表明:复合材料中的缺陷均是微米级的微观缺陷,主要有束内孔隙、局部纤维偏聚及在基体集聚处的冷隔、显微缩孔及微夹杂等,其中三维正交C_f/Al复合材料束内孔隙及束间孔隙较三维五向C_f/Al复合材料少,而局部纤维偏聚现象较三维五向C_f/Al复合材料严重,造成其缺陷差异的主要原因在于其纤维预制体编织结构的差异,通过提高预热温度可以显著减少复合材料内部的孔隙缺陷及局部纤维偏聚现象。

叠层穿刺C_(f)/Al复合材料的高温拉伸性能研究

选用M40J碳纤维为增强体、ZL301铝合金为基体,采用真空气压浸渗法制备碳纤维体积分数为50%的叠层穿刺Cf/Al复合材料。主要研究了复合材料室温和高温下的经向拉伸性能,并分析了其微观组织及拉伸失效机理。结果表明,叠层穿刺Cf/Al复合材料在室温、350℃和400℃下经向抗拉强度分别为650.2、619.8和540MPa,经向弹性模量分别为81.78、72.76和60.82GPa;叠层穿刺Cf/Al复合材料在350℃和400℃下经向抗拉强度的损失率分别为4.8%和16.95%,经向弹性模量的损失率分别为11%和25.67%,在350~400℃叠层穿刺Cf/Al复合材料经向力学性能下降幅度明显大于室温~350℃;其应力-应变曲线呈非线性特征,叠层穿刺Cf/Al复合材料高温经向拉伸失效过程可分成4个阶段,即整体抗变形阶段、累积阶段、断裂失效阶段、失稳断裂阶段。