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。

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。

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.

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。

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。

Cf/Al复合材料横向拉伸微观损伤与力学性能的有限元分析

根据石墨纤维增强铝基复合材料(Cf/Al基复合材料)显微组织特征构建了其代表性体积单元(RVE),通过基体合金的延性损伤模型和纤维的最大应力失效模型,建立了基于内聚力界面模型的细观力学有限元模型并结合试验结果验证了其可靠性,在此基础上分析了纤维含量对复合材料横向拉伸损伤演化与力学行为的影响。结果表明,基于正六边形纤维排布RVE建立的细观力学模型能够准确预测复合材料横向拉伸力学性能。横向拉伸过程中首先发生界面损伤,随应变增加界面损伤累积,引起局部界面失效并诱发附近基体合金的损伤与失效,最终导致复合材料横向开裂,拉伸断口呈现界面脱粘和基体合金撕裂共存的微观形貌。提高纤维含量增加了界面数量和面积,从而降低了复合材料横向拉伸弹性模量和极限强度。

三维正交Cf/Al复合材料的显微组织与弯曲性能

采用真空压力浸渗法制备了Cf体积分数为50%的三维正交Cf/Al复合材料,主要研究了复合材料的显微组织以及室温、高温下的弯曲性能,并分析了复合材料弯曲失效机理。结果表明,三维正交Cf/Al复合材料经向显微组织的微孔缺陷较纬向显微组织要略多,复合材料在室温、350℃和400℃时,弯曲强度分别为498.8、363.0、303.0 MPa,弯曲模量分别为70.8、63.7、65.6GPa。其中,弯曲失效主要由于内侧面受压应力导致经向纤维束屈曲变形,纬向纤维束形态较完好;外侧面受拉应力导致复合材料拉伸破坏,存在纤维拔出现象。

Z向穿刺结构参数对Cf/Al复合材料显微组织与剪切性能的影响

采用真空压力浸渗法制备了4种叠层穿刺结构Cf/Al复合材料,研究了Z向穿刺结构参数对Cf/Al复合材料致密度、显微组织与剪切性能的影响。结果表明,Z向穿刺结构参数对Cf/Al复合材料的致密度、显微组织以及剪切性能影响较大,Z向穿刺纤维束为单股,针距分别为3mm和4mm时的Cf/Al复合材料致密度、剪切强度、模量分别为95.0%、69.9MPa、7.47GPa和95.5%、65.3MPa、8.38GPa;Z向穿刺纤维束为双股,针距分别为3mm和4mm时的Cf/Al复合材料致密度、剪切强度、模量分别为96.3%、78.6MPa、8.26GPa和96.0%、63.7MPa、8.12GPa。其中,Z向穿刺纤维束为双股,针距为3mm时的Cf/Al复合材料的显微组织较其余3种复合材料的显微组织而言,其纤维丝分布均匀,未发现明显的微孔缺陷。复合材料剪切破坏首先出现在V型口基体与界面损伤处,裂纹与剪切力方向呈45°扩展,经纱纤维束的屈曲变形、纬纱纤维束的挤压变形以及Z向穿刺纤维束的偏折导致复合材料最终失效。

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.

深冷保温时间对三维正交Cf/Al复合材料显微组织与力学性能的影响

采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数为50%的三维正交Cf/Al复合材料,主要研究了深冷保温时间对复合材料残余应力、致密度、组织及力学性能的影响,并分析了其影响机理。结果表明,深冷处理改善了三维正交Cf/Al复合材料的显微组织,提高了其致密度,且对三维正交Cf/Al复合材料的残余应力、力学性能有显著的影响。经过深冷处理后,三维正交Cf/Al复合材料的残余应力降低,且随深冷保温时间的增加,残余应力值不断降低。而且深冷处理显著提高了三维正交Cf/Al复合材料的抗拉强度和弹性模量,经36h深冷处理的三维正交Cf/Al复合材料的抗拉强度和弹性模量达到841.33 MPa、132.19GPa,较铸态下的738.85 MPa、105.80GPa分别提高了13.9%、24.9%。经过深冷处理后,显微组织的改善及残余应力的释放是三维正交Cf/Al复合材料力学性能提高的主要原因。

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.

应变率对C_f/Al金属基复合材料力学性能的影响

利用自行研制的冲击拉伸试验装置对单向碳纤维增强铝基复合材料实施了不同应变率下的拉伸试验 ,获得了材料从 0 .0 0 1s- 1 到 10 0 0 s- 1 应变率范围内完整的应力应变曲线。试验结果表明 Cf/ Al是一种应变率敏感材料 ,随着应变率的提高 ,材料的拉伸强度、失稳应变均相应提高 ,具有明显的应变率强化效应和动态韧性现象。根据材料在不同应变率下的试验结果 ,提出了应变率强化效应的复合丝束统计本构模型 ,模型分析表明由于复合材料的破坏受多种因素的影响 ,Cf/ Al复合丝的强度不再服从单 Weibull模型 ,用双 Weibull模型更能反映 Cf/ Al复合丝强度的统计分布规律 ,且模型拟合的结果与试验结果吻合得很好。

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。

影响C_f/Al复合材料界面结构及性能的因素

综述了增强纤维、纤维表面涂层、基体合金化以及制备工艺对Cf/Al复合材料界面结构及性能的影响,并对Cf/Al复合材料未来的发展趋势进行了分析和展望。

槽形C_f/Al复合材料构件真空液相成型工艺控制

为制备性能较高的Cf/A l复合材料构件,选用M40 J为增强体,A lMg5为基体,采用真空液相浸渗工艺,研究了复合过程中温度、涂层等工艺参数对槽形复合材料构件性能的影响.结果表明,预制件的预热温度对复合材料的性能有显著影响,预热温度由680℃降到620℃时,复合材料的抗拉强度提高了94 MPa;C-A l2O3涂层对复合材料的性能有较大影响,经涂层处理后的预制件制备的复合材料的最高强度比未经涂层处理的最高强度提高了50 MPa,构件的密度小于2.5 g/cm3.

C_f/Al复合材料管件的真空液相成型工艺研究

以高模高强碳纤维M4 0J(6K)增强铝基复合管为研究对象 ,研究了真空反压液相浸渗工艺中 ,纤维束丝分散技术、预制件压缩强度提高技术及碳纤维涂层对管件成型及性能的影响。结果表明 :SiCp 可以起分散作用 ,有利于浸渍 ;加入 10 %的偏磷酸盐的预制件经 6 80℃真空去胶后的压缩性能满足浸渗要求 ,纤维保持了较好的平直度且分布均匀。C Al2 O3涂层对复合材料的性能有较大影响 ,经涂层处理后的预制件所制备出的复合材料的强度比未经涂层处理的提高了 13%左右。所制备的复合材料的比强度、比模量较高 ,密度小于 2 .5g/cm3。

体育器材用C_f/Al复合材料的制备与性能研究

采用碳短纤维为增强体,6063铝合金为基体,对碳短纤维进行表面化学镀铜处理,用搅拌铸造法制备复合材料,研究其力学性能。结果表明,碳短纤维体积分数为6%时,复合材料的性能最优,对复合材料进行热挤压处理,可以提高其致密性,改善性能。

基于钎料辅助法的C_f/Al复合材料的制备及其力学性能研究

采用钎料辅助法通过箱式电阻炉制备了碳纤维增强铝基(C_f/Al)复合材料,研究了钎料和压力对C_f/Al复合材料成形的影响,分析了其显微结构及力学性能。结果表明,选取的Al-Si系钎料在压力下可制备出成形质量好,无明显宏观缺陷的C_f/Al复合材料。C_f在复合材料中分布均匀,钎料可填充到C_f间隙中。Al-Si系钎料在压力下制备的C_f/Al复合材料在拉伸过程中,C_f与基体发生剥离,当达到极限载荷后,该复合材料不会立即断裂,而是会有一个延迟的平台,出现延迟断裂的现象。