碳纤维表面涂覆SiC层及其用于制备CF／Al复合材料

本文报道了用聚碳硅烷的苯溶液在碳纤维表面涂覆ＳｉＣ工艺对涂层性能、结构的影响以及涂层在ＣＦ／Ａｌ复合材料的制备和性能中的作用行为．ＳｉＣ涂层有效地改善了碳纤维的抗氧化性能，在其厚度小于０．１μｍ时提高了碳纤维的强度，而且它改善了碳纤维与熔Ａｌ的润湿性，阻止了界面上的化学反应，可使复合材料的强度提高８９％．

热等静压制备CF/Al复合材料的微观结构及性能

采用热等静压（HIP）工艺制备连续碳纤维（CF）增强Al基复合材料。利用扫描电镜、粒度仪和X射线衍射仪表征2A12铝合金粉末形貌、粒度分布和相组成；利用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪观察复合材料的显微组织、断口形貌和界面扩散反应特征，并对其主要力学性能进行测试。结果表明：粉末形貌呈球形，粒度主要分布在150～180μm；复合材料致密，界面连接紧密无孔洞缺陷；与基体铝合金材料相比，复合材料的拉伸强度和断后伸长率分别提高5％和54％，断裂方式为脆性断裂；Al基体裂纹起源于粉末颗粒界面，CF／Al界面断口呈现CF拔出和断裂失效形式；CF／Al界面发生元素扩散，界面反应生成A14C3金属间化合物。

连续铸造制备Mg-Al/Al梯度复合材料的试验研究

采用双流浇注半连续铸造方法制备了一种内层设计成分为镁合金、外层成分为纯铝的Mg-Al/Al梯度复合材料。试验表明,采用双流浇注连续铸造技术可以实现内层镁合金和外层纯铝之间的冶金结合,并且可在两层之间形成成分和硬度梯度分布的过渡层。所制备的合金材料在成分分布、宏观组织以及硬度分布之间有较好的对应关系。但由于两种合金的密度相差较大,容易导致内、外浇包熔体的剧烈混合,使得内层合金成分变化很大。

CF表面Al_2O_3涂层及CF/Al_2O_3/HA复合材料的研究

为缓解在制备碳纤维(CF)增强羟基磷灰石(HA)复合材料过程中CF的氧化损坏,采用溶胶-凝胶法配置的浓度为0.4 mol/L的溶胶能在CF表面制备厚度适中、形貌均匀的Al_2O_3抗氧化保护涂层.该涂层将在复合材料烧结过程中对CF起到保护作用,防止CF的氧化损伤,且当复合材料中Al_2O_3-CF的添加量为0.5wt%时其抗弯强度达到最佳7.31±0.05MPa,一定程度上改善了CF/HA复合材料的力学性能.

Al_2O_3连续增强铝基复合材料的干摩擦磨损特性

通过摩擦磨损试验对比研究了含质量分数18%SiC颗粒和不含SiC颗粒的Al2O3连续增强铝基复合材料与NAO(无石棉有机材料)配副的干滑动摩擦磨损行为。结果表明:复合材料在较低的滑动速度(0.628m·s-1)下,最大启动摩擦因数随正压力的增大而降低;在较高的滑动速度(2.512m·s-1)下,最大启动摩擦因数随正压力的增大呈先减小后增大的趋势;正压力一定时,最大启动摩擦因数随滑动速度的增大先减小后增大;含SiC的Al2O3连续增强铝基复合材料比不含SiC的Al2O3连续增强铝基复合材料具有更高的摩擦因数和更好的耐磨性。

纤维预热温度对真空气压浸渗连续SiC_f/Al复合材料致密度和力学性能的影响

选用先驱体法制备的直径10~15μm束丝SiC纤维作为增强体材料，采用真空气压浸渗法制备了SiCf体积分数为40%的连续SiCf/Al复合材料，研究纤维预热温度对复合材料显微组织与力学性能的影响。结果表明：复合材料中原局部存在少量团聚的SiC纤维束随着纤维预热温度的提高，纤维团聚减少，分布更趋于均匀；而复合材料致密度和抗拉强度随纤维预热温度的升高先逐渐增加后缓慢降低；其中，在纤维预热温度为500℃、浸渗温度为730℃、浸渗压力为7 MPa和保压时间为5 min的浸渗工艺条件下所制备的连续SiCf/Al复合材料的致密度为97.24%，抗拉强度达到768.9 MPa。

叠层穿刺结构Cf/Al复合材料的弯曲性能及失效分析

采用真空压力浸渗法制备纤维体积分数为47.5%的叠层穿刺结构Cf/Al复合材料,主要研究复合材料的显微组织以及弯曲性能,并进一步分析复合材料的弯曲失效机理。结果表明:复合材料的致密度为95.0%,经、纬向显微组织均存在少量微孔缺陷,且纬向显微组织的微孔缺陷较经向显微组织要多。叠层穿刺结构Cf/Al复合材料的弯曲强度和模量分别为327 MPa和114 GPa,内侧面受压处,基体出现团簇,经向纤维束由于屈曲变形程度大导致被压断,纬向纤维束发生相应地挤压变形,而在外侧面受拉处复合材料被拉伸破坏,造成基体开裂。

2.5D-Cf/Al复合材料的经向高温力学性能及其变形断裂行为

以M40J碳纤维的2.5D浅交直联编织预制体为增强体,ZL301合金为基体材料,采用真空压力浸渗法,制备纤维体积分数50%的2.5D碳纤维增强铝基复合材料;研究2.5D浅交直联结构复合材料的致密度和微观组织,在室温、350℃和400℃环境下进行经向拉伸力学性能测试并分析其变形断裂行为。结果表明:2.5D复合材料的致密度较高达到96.2%,细观结构完整,纤维排布均匀,微观组织无明显铸造缺陷,界面上大多数区域较为干净,存在棒状的Al4C3界面相;2.5D-Cf/Al的室温、350℃和400℃的经向拉伸强度分别为531、451和408 MPa,材料的高温强度损失率仅为23%;其应力-应变曲线呈现明显非线性特征,复合材料的室温和高温拉伸断裂过程可以分为3个阶段,即基体承载阶段、纤维承载阶段、损伤与断裂阶段。

2.5D浅交直联Cf/Al复合材料的显微组织及弯曲和剪切性能

采用真空压力浸渗法制备体积分数为50% 的2.5D浅交直联Cf/Al复合材料,研究复合材料的显微组织以及室温、高温下弯曲和剪切性能,分析复合材料弯曲和剪切性能的破坏失效机理.结果表明:2.5D浅交直联Cf/Al复合材料经向、纬向显微组织均存在一定的微孔、纤维丝偏聚等缺陷.室温的弯曲强度、弯曲模量、剪切强度分别为268.4 M Pa,75.2 GPa和41.0 M Pa,350℃的弯曲强度、弯曲模量、剪切强度分别为139 M Pa,70.9 GPa和39.2 M Pa,400℃的弯曲强度、弯曲模量、剪切强度分别为97.6 M Pa,68.5 GPa和29.9 M Pa;其中,弯曲失效主要由于内侧面受压导致经向纤维束在压应力作用下被压断,纬向纤维束产生挤压变形;外侧面受拉处随测试温度升高复合材料拉伸破坏现象不明显;而剪切破坏首先出现在基体与纤维束界面损伤处,室温下纤维束被拔出,断口不平齐,350,400℃时纤维束断口呈现45°破坏;经向纤维束屈曲与纬向纤维束挤压变形程度随测试温度升高越来越严重.

横向压缩载荷下CF/Al复合材料微观损伤演化与断裂力学行为

针对真空压力浸渗制备的单向碳纤维增强铝基复合材料(CF/Al复合材料),采用细观力学数值模拟和实验相结合的手段研究了其在横向压缩载荷下的损伤演化与断裂力学行为,并分析了界面结合性能和纤维体积分数对复合材料横向压缩力学性能的影响。结果表明:基于纤维对角正方形分布RVE建立的细观力学有限元模型,可以较好地计算预测复合材料横向压缩变形力学行为。压缩变形初期界面首先发生损伤和失效现象,进而诱发界面附近基体合金的局部损伤;随压缩应变增加,界面和基体损伤逐渐发展并导致纤维的失效,复合材料横向压缩断口呈现出界面脱粘和纤维断裂共存的微观形貌。复合材料横向压缩弹性模量和极限强度随着界面强度增大而增大,而受界面刚度的影响较小;在相同界面性能条件下,复合材料横向压缩极限强度和弹性模量均随纤维体积分数的增大而减小。

基于钎焊法制备Cf/Al复合材料工艺研究

采用钎焊法通过箱式电阻炉和真空热压炉加热成功制备出碳纤维增强铝基(Cf/Al)复合材料,研究钎料成分、加压状态以及加压方法对Cf/Al复合材料成形的影响,并分析其显微结构。结果表明,采用叠层填充HL402钎料,加热到600℃保温15 min,在压力下通过钎焊法使用电阻炉和真空热压炉均可制备出成形较好的Cf/Al复合材料。通过真空热压炉制备出的Cf/Al复合材料,其Cf的间距约为2~4μm,钎料可以充分地填充到Cf间隙中,且Cf轮廓完整并较均匀致密地分布在结合层中。

偏磷酸铝粘结剂在真空液相浸渗制备C_f/Al复合材料中的应用研究

采用真空压力浸渗工艺 ,以高强高模碳纤维M4 0J增强AlMg5为研究对象 ,研究了预制件抗压强度提高技术和高温粘结剂偏磷酸铝对复合材料中纤维平直度、复合材料性能的影响。结果表明 ,预制件中偏磷酸铝的加入使复合材料中纤维的平直度及分布的均匀性提高 ,用P Al 15∶1、浓度为 10wt%偏磷酸铝溶液处理后的预制件经真空液相浸渗后制得的复合材料 ,纤维不仅保持了较好的平直度 ,而且弯曲强度比未经粘结剂处理的提高近 10 2 %左右 ,达到5 35MPa。

连续碳纤维增强Al基复合材料及其趋势发展

由于具备比强度和比模量高、耐腐蚀性、抗电磁辐射等特性,碳纤维被广泛用于增强树脂基或金属基复合材料,制备成质轻高强的结构件被应用于航空航天、渔具及健身器材等。近年来,随着对复合材料高强度和强韧性等要求的提出,高强高模碳纤维复合材料逐渐被重视,但随之出现了碳纤维与金属液相界面存在湿热效应等问题。鉴于此,综述连续碳纤维作为增强体制备Al基复合材料(简称连续Cf/Al复合材料)的工艺方法,介绍了几种对碳纤维/金属界面润湿方法及评价体系,同时对连续Cf/Al复合材料在航天的服役场合和低成本-大尺寸制备军民两用高性能复合材料提出一些前瞻性设想。

(Al_2O_3)_f/Al复合材料在强界面结合下的疲劳损伤模式

在拉-拉载荷下测定了(Al2O3)f/Al复合材料的疲劳寿命(S-N)曲线。通过夭折试验以及SEM疲劳断口和纵截面组织结构分析,研究了复合材料的疲劳损伤模式。研究结果表明,(Al2O3)f/Al复合材料的疲劳极限为750MPa,远高于SCS-6碳化硅纤维增强钛基复合材料。该复合材料兼有钛基和树脂基纤维复合材料疲劳损伤的特点,高应力下由单个裂纹的起源和生长导致复合材料的失效;低应力下,疲劳损伤模式包括纤维劈裂、众多基体裂纹和单个基体裂纹的横向扩展。其中纤维劈裂是主控机制。其更高的疲劳极限可归因于低应力下纤维的纵向劈裂。

国产三维五向M55JCf/Al复合材料的显微组织和弯曲性能

研究国产三维五向M55JCf/Al复合材料的显微组织和致密度以及在室温和350℃下的弯曲性能。结果表明:国产三维五向M55JCf/Al复合材料的致密度为98%,显微组织无明显缺陷,仅存在少量的纤维团聚现象和浸渗微孔缺陷;在室温和350℃的弯曲强度分别为505 MPa和335 MPa,弯曲模量分别为158 GPa和138 GPa,表现出优良的室温、高温弯曲性能。

铝硅合金钎焊C_f/Al复合材料的界面反应及连接机理

在500～570℃的温度范围内,采用Al-Si-Cu、Al-Si-Cu-Zn钎料,对碳纤维增强铝基复合材料(碳体积分数为50%)进行了高频感应钎焊.结果表明,钎料中的Si和Cu向母材扩散,复合材料中的碳纤维与渗入的液态钎料及基体Al发生界面反应,生成了Al4C3、SiC和CuAl2脆性化合物.连接接头具有较好的力学性能,使用Al-28Cu-6Si和Al-4Cu-10Si钎料,在无压、无钎剂状态下,钎焊接头的抗剪强度分别为63和75 MPa,剪切断裂发生在钎料层与母材界面上.

真空吸渗挤压二维正交铺层C_f/Al复合材料压缩失效机制

采用真空吸渗挤压技术制备了二维正交铺层碳纤维增强铝基(2D-C_f/Al)复合材料,研究了室温下2D-C_f/Al复合材料沿不同方向的压缩性能及其失效行为.研究结果表明:利用真空吸渗挤压技术制备的复合材料的浸渗质量良好,微观组织致密,基体铝合金和纤维分布均匀,无明显缺陷存在;沿垂直于纤维铺层方向的压缩屈服强度约为平行方向的2.5倍,比基体铝合金的压缩强度提高了57%.复合材料的压缩破坏机制与纤维铺层方向密切相关:当压缩载荷垂直于纤维铺层方向时,主要以剪切失效为主;当压缩载荷平行于纤维铺层方向时,主要以界面脱粘和纤维弯折失效为主.

C_f/Al复合材料无损检测与质量评价初探

通过对Cf/Al复合材料进行X射线照相和超声波检测研究,实现对复合材料中的体积型缺陷(缩孔、疏松和气孔,纤维排布不均)和面积型缺陷(分层、纤维或集体聚集及垂直超声波声束方向裂纹)的检测,并逐步建立了缺陷检测和评价的暂行标准。

短纤维取向对Al_2O_(3f)+C_f/ZL109复合材料干滑动摩擦磨损性能的影响

利用挤压铸造法制备了 Al2 O3 f+Cf/ZL10 9短纤维混杂金属基复合材料 ,并利用统计学方法对比研究了在滑动速度 0 .837m/s、载荷 196 N条件下纤维取向对该混杂复合材料干滑动摩擦磨损性能的影响 .结果表明 :在纤维平行取向和垂直取向时 ,该混杂复合材料的磨损率和摩擦系数均服从正态分布 ;平行取向情况下磨损率均值大于垂直取向下的磨损率 ,而摩擦系数均值小于垂直取向 ;纤维垂直取向有利于复合材料耐磨性能的提高 。

SiC_p/3003Al复合材料与3003Al的闪光对焊研究

采用连续闪光对焊的焊接方法 ,对 Si Cp/30 0 3Al复合材料与 30 0 3Al合金的焊接性进行研究。试验结果表明 :在合适的工艺参数下 ,Si Cp/30 0 3Al与 30 0 3Al合金闪光对焊焊缝区结合致密、无气孔及裂纹等缺陷 ;接头强度高且随增强相 ( Si C颗粒 )体积分数的增加而增加。因此 ,采用闪光对焊方法焊接颗粒增强型