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。

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。

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。

叠层穿刺结构对C_(f)/Al复合材料组织与性能的影响

以M40J碳纤维编织叠层穿刺结构预制体,选用ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备4种不同编织参数的叠层穿刺C_(f)/Al复合材料,研究了穿刺结构参数(Z向纱线规格和穿刺针距)对C_(f)/Al复合材料微观组织及拉伸性能的影响,并分析了其断裂变形行为及拉伸断口处形貌特征。结果表明,穿刺结构参数对C_(f)/Al复合材料微观组织及性能影响显著,单股、3 mm/针的C_(f)/Al复合材料的平均抗拉强度为623 MPa,单股、4 mm/针的C_(f)/Al复合材料的为353.3 MPa,为4种结构中最低,双股、3 mm/针的C_(f)/Al复合材料为650.2 MPa,为4种结构中最高,约为单股、4 mm/针复合材料的两倍;双股、4 mm/针的C_(f)/Al复合材料的为473 MPa。穿刺针距为3 mm/针的C_(f)/Al复合材料微观浸渗缺陷较少,抗拉强度较高,单股穿刺纱在经向拉伸时易出现Z向纱分层失效现象。叠层穿刺C_(f)/Al复合材料根据变形断裂行为,可将其拉伸破坏过程分为3个阶段:纤维与基体共同承载阶段、主要由纤维承受载荷阶段、断裂失效阶段。

缺口类型对叠层穿刺结构C_(f)/Al复合材料力学性能影响

为模拟3D-C_(f)/Al复合材料作为结构装配件受到损伤形成缺口并断裂的情况,以叠层穿刺C_(f)/Al复合材料为研究对象,分析了V形及矩形缺口对复合材料力学性能的影响。结果表明,叠层穿刺C_(f)/Al复合材料在开矩形缺口后,抗拉强度为553.5 MPa、弹性模量为91.5 GPa,较无缺口试样分别下降了17.4%、2.9%;在开根部圆角为0.3 mm的V形缺口后,复合材料抗拉强度为545.0 MPa,较无缺口试样下降了18.6%,弹性模量为110.2 GPa,较无缺口试样上升了17.0%;在开根部圆角为0.6 mm的V形缺口后,抗拉强度为663 MPa,较无缺口试样下降了1.0%,弹性模量为106.5 GPa,较无缺口试样上升了13.1%;V形缺口根部圆角由0.3 mm增至0.6 mm,缺口强度比由0.81升至0.99,叠层穿刺C_(f)/Al复合材料抗拉强度上升,弹性模量变化不大。结合断口形貌可知,复合材料断口呈现脆性断裂特征,而基体开裂、纤维拔出和界面脱粘的共同作用所引起的纤维轴向失效是复合材料经向断裂的主要机制。

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。