纤维增强热塑性复合材料/金属连接界面调控研究进展

综述了纤维增强热塑性复合材料/金属界面连接机制和界面调控的国内外研究动态,涵盖粘附和机械结合两种机制。简要概述了粘附机制的主要结合力类型,探讨了粘附机制下连接界面轻度较差的原因;重点关注了机械方法、化学方法、金属表面增材处理和激光加工4类机械结合界面调控方法,其中化学方法的使用会对环境造成一定危害,且难以精确控制微结构的形貌尺寸。而金属表面增材制备微观结构的方法目前还存在难以实现完全锚固且易变形造成应力集中的问题。利用高能量密度激光对金属表面进行粗化、清洗以及引入化学基团,可以在毫米、微米和纳米等不同尺度下调控微结构形貌,对接头强度的改善效果远高于喷砂、喷丸、砂纸打磨、铣削加工等机械方法。同时,超快脉冲激光与材料相互作用时间极短,热影响小,能加工出跨尺度复合结构,相比于其他金属表面处理方式,超快激光表面处理能更大程度上提高接头强度。

纤维增强热塑性复合材料与金属连接技术的研究进展

纤维增强热塑性复合材料(FRTP)与金属的连接技术是多材料异质结构的关键制造技术。总结了纤维增强热塑性树脂基复合材料相对于传统金属材料的性能优势,分析了FRTP与金属连接技术的重要性和必要性,系统回顾了胶接、机械连接、混合连接和焊接四大类FRTP/金属连接技术的特点和发展,最后对未来FRTP/金属异质结构连接技术的发展、接头性能的改善提出了展望。

金属材料屈服强度的应变率效应和热激活理论

对４种金属材料进行了应变率为１０^（－４）—１０~３ｓ^（－１）的拉伸试验，结果表明，屈服强度随应变率的升高分两阶段线性升高．提出了位错线热振动对加载频率响应的热激活作用机理，依据该机理计算所得Ⅰ、Ⅱ区临界应变、与实测值相符、并在此基础上将应变率对屈服强度影响的机制图重新划分为：Ⅰ区、富热激活区；Ⅱ区，贫热激活区．

亚稳态金属材料抗空蚀性能研究

用旋转圆盘实验机研究了三种金属材料的空蚀。试验结果表明 :Fe -Mn -Si形状记忆合金、Fe -Cr-Ni-Mn不锈钢空蚀中分别诱发产生密排六方晶体结构的马氏体和体心立方晶体结构的马氏体 ,其抗空蚀性能依次为 0Cr13Ni5Mo不锈钢的 7.3倍和 2 .1倍。亚稳态金属材料抗空蚀性能与空蚀过程中动态相变对应力的响应密切相关。空蚀诱发马氏体相变不仅有利于改善材料抗空蚀性能 ,而且马氏体相变及其逆转变引起的能量耗散和伪弹性大大提高了Fe-Mn

空蚀诱发相变对金属材料抗空蚀性能的影响

用旋转圆盘试验机研究了 4种金属材料的抗空蚀性能 ,结果表明 :亚稳态金属材料Fe -Mn-Si合金、Fe -Cr -Mn -Ni和Fe -Cr -Ni不锈钢空蚀中分别诱发了密排六方晶体结构马氏体和体心立方晶体结构马氏体 ,其抗空蚀性能依次分别为 0Cr13Ni5Mo不锈钢的 7 3倍、1 8倍和 1 6倍 ;空蚀诱发马氏体相变有助于提高材料的抗空蚀性能 ,并与空蚀过程中动态相变对应力的响应密切相关 ;马氏体相变及其逆转变引起的能量耗散和伪弹性大大提高了Fe -Mn -Si合金的抗空蚀性能 .

金属材料界面与辐照缺陷的交互作用机理

高能粒子辐照在材料内部产生大量的辐照缺陷,如间隙原子、空位、位错环、空洞和气泡等.大量辐照缺陷的形成和演化引起材料微观结构的失稳并造成严重的辐照硬化和脆化.界面工程是一种调控材料抗辐照性能的有效方法.通过引入高密度的晶界、相界、自由表面等来增加空位和间隙原子的复合概率,能有效降低辐照缺陷的积聚,提高材料的结构稳定性,消除或减弱辐照的有害效应.本文简述了几种典型金属材料界面与不同类型辐照缺陷的交互作用机理,分析了界面结构、缺陷类型和辐照条件对交互作用过程的影响,最后讨论了本领域需进一步关注的热点问题,期望运用多学科知识和研究方法更好地揭示辐照损伤过程并设计新型抗辐照损伤材料.

深冷循环热处理下锆基金属玻璃的回春行为调控

研究Zr_(55)Cu_(30)Ni_(5)Al_(10)(摩尔分数,%)金属玻璃在深冷循环处理过程中的回春行为。实验发现,随着循环次数的增加,样品的回春程度更高,表现为更高的弛豫焓与更低的密度。回春程度经200次循环后逐渐饱和,这可能与非晶结构中有限的自由体积含量有关。同时,高循环次数下的样品硬度更低,塑性更好,这与其剪切转变区体积增大有关。此时,更低的剪切面形成能有利于多重剪切带的形成。此外,还发现自由体积含量与样品塑性应变及剪切转变区体积呈线性关系。分子动力学模拟结果还表明,在高冷速下回春程度高的样品会发生原子体积的饱和。

基于局部均匀化多尺度方法的机织复合材料单轴拉伸力学行为研究

机织碳纤维增强树脂基复合材料在厚度方向存在纤维的相互交织,拥有较复杂的纤维空间结构,因此具有优异的比刚度和比强度。本文建立了平纹机织复合材料的“微观-介观-宏观”的多尺度有限元渐进损伤模型,并对介观模型中的各成分进行具有等效性能的局部均匀化简化。基于微观力学失效理论判断纤维/基体损伤起始,通过ABAQUS有限元分析平台,开发用户自定义的子程序VUMAT,对平纹机织复合材料进行拉伸力学行为和损伤机理分析。结果表明:在拉伸载荷模拟中纤维束树脂损伤最为严重,纤维失效发生在经向纤维束中,且外层损伤相较于内层更加严重。试验和数值分析的结果误差均在2%以内,表明多尺度渐进损伤模型的可靠性。

TA4/Q235层状复合材料激光穿透焊研究

为解决钛/钢层状金属在熔焊过程中易产生脆性金属间化合物而导致接头出现裂纹、难以实现可靠连接的难题,对TA4和Q235层状复合材料的激光穿透焊接进行工艺探索,并添加T2紫铜作为中间层进行工艺优化。结果显示,在合适的工艺参数下,TA4/Q235激光穿透焊接接头呈酒杯状,焊缝上下部分出现明显的元素交换,引发裂纹缺陷;引入Cu作为中间层后,得到的Ti-Cu-Fe焊接接头成形良好。能谱分析结果表明,添加Cu可有效阻隔Ti、Fe的直接接触,避免了脆性金属间化合物的产生,焊缝晶粒在一定程度上得以细化且开裂现象明显减少,从而改善了TA4/Q235的焊接性;激光穿透焊接的最佳参数为激光功率3 000 W,线速度2.0 m/min。研究结果对Ti/Fe复合板在航空航天、石油化工等领域的应用有积极的探索作用,具有重要的工程应用前景。

线光斑激光熔覆Ni-Al金属间化合物工艺及组织研究

为了提高P92钢的耐高温氧化性能,采用线光斑在P92钢基体表面激光熔覆Ni-Al金属间化合物,对熔覆工艺参数进行了筛选,并对试样的组织形貌和成份进行了分析。结果表明,在筛选后的熔覆工艺下试样熔覆层未发现裂纹,无开裂倾向;P92钢基体熔化较少,基体中Fe元素扩散至顶部含量不到5%,熔覆层中主要物相为Ni3Al和NiAl,熔覆层顶部至基体部分的显微组织由等轴晶向树枝晶、柱状晶和平面晶转变。当激光功率1 800 W、扫描速度2 m/min、送粉速度为17 r/min、送粉气流量为8 L/min时,可以减少基体熔化和Fe元素扩散,从而对解决激光熔覆时Ni-Al金属间化合物熔覆层开裂、钢基体中Fe元素扩散问题提供了思路。

基于冷烧结技术的陶瓷-聚合物复合材料研究进展

传统的陶瓷烧结一般需要1000℃以上的高温,烧结周期长、能耗高。高温会对界面控制、物相稳定、材料共烧等产生不利影响,因此,很难以聚合物为填料实现陶瓷-聚合物复合材料的共烧。冷烧结技术通过引入中间液相溶解-沉淀过程,实现了在≤300℃时陶瓷的快速致密化,有效解决了陶瓷与聚合物的共烧问题。从冷烧结技术的发展概况出发,介绍了冷烧结工艺及致密化机制,详细阐述了冷烧结技术在陶瓷-聚合物复合材料中的应用及发展情况,包括微波介质材料、铁电材料、锂离子电池、压敏材料、半导体材料和热电材料,并分析了冷烧结技术目前待解决的问题,对冷烧结技术的未来发展做出展望。

增强体种类及含量对金属基复合材料力学性能的影响

用粉末冶金法制备了氧化铝、碳化硅颗粒增强的几种铝合金复合材料，对不同增强体含量的复合材料进行了力学性能测试。研究结果表明，复合材料拉伸弹性模量随增强体含量增加而升高，断裂延伸率下降。ＳｉＣＰ／２０２４具有最高的强度和增强效率，随增强体含量增加至２５％，强度逐渐升高；ＳｉＣＰ／７０７５的强度水平低于基体合金；ＳｉＣＰ／Ａｌ（工业纯）强度提高幅度较大；Ａｌ２Ｏ３Ｐ／２０２４的强度随增强体含量增加呈先上升、后下降趋势。分析认为不同复合材料间的这种性能差异由增强体与基体强度水平和变形行为特征所决定。高强度、高模量的增强体与高强度、高形变硬化率的基体的配合是获得高强度复合材料的重要条件。

颗粒增强金属基复合材料的屈服行为

运用空间轴对称弹塑性有限元方法和混合律模型、给出了应力应变分配系数与复合材料的弹性模量、屈服强度以及切线模量之间的定量关系式、并由此提出了一种新的定义颗粒增强金属基复合材料比例极限和屈服行为的方法、进而研究了颗粒形状（球体 正圆柱体以及椭球体）和材料结构参数（颗粒体积分数和颗粒根间距）对颗粒增强金属基复合材料拉伸变形行为的影响．研究表明，通过研究应力应变分配系数及其二阶导数来确定复合材料屈服行为的方法不仅适用于短纤维增强金属基复合材料．而且也适用于颗粒增强金属基复合材料．该方法可以较好地反映出颗粒形状和材料结构参数对复合材料屈服行为的影响．

利用纳米压入加载曲线确定金属薄膜的屈服强度和硬化指数 Ⅱ.实验及验证

通过比较实测与计算所得整体材料纳米压入加载曲线及Berkovich压头的面积函数，对已建立的Berkovich压头绝对钝化量的确定方法进行了实验验证在此基础上，测定了蒸发恢制在Si单晶上三种不同膜厚Al膜的屈服强度和硬化指数，并与拉伸分离法获得的结果进行了比较结果表明，利用纳米压入加载曲线确定陶瓷基体上金属薄膜基本力学性能的方法是可行的．

关于颗粒增强金属基复合材料的协同强化

复相材料的协同效应在其强度、韧性、断裂等特性和现象中表现得尤为明显,也是复相材料研究中认识最肤浅的内容。本研究通过对球形颗粒增强金属基复合材料中模量强化与位错强化的分析,探讨了这两种强化间的协同作用。结果表明,该体系中协同强化作用是很明显的。一般通过适当的模型和数学处理,协同作用是可以逐步认识的。

金属纳米叠层材料的力学性能与辐照损伤容限

金属纳米叠层材料由于不仅可以调整其组元几何尺寸和微观结构尺度,而且可以引入具有不同本征性能的组元材料和不同结构的层间异质界面,在获得高强韧与高辐照损伤容限金属结构材料方面具有潜在的能力。结合当前国内外有关金属叠层材料力学性能与辐照特性尺寸效应研究的最新进展,分别阐述了晶体/晶体Cu/Mo与晶体/非晶Cu/Cu-Zr金属叠层材料He^+辐照前后的结构演变与力学特性,揭示了上述两类金属叠层材料的强化与损伤机制的异同,并对高辐照损伤容限纳米叠层材料研究的发展趋势进行了展望。

循环变形提高SiC纤维增强铝基复合材料强度及塑性 I.实验现象

对ＳｉＣ纤维增强铝基复合材料经不同周次循环变形载荷后强度与塑性的测试表明．循环变形可使其强度、塑性均有所提高．经循环变形载荷作用１０周次、抗拉强度提高２０％；作用１００周次．强度提高３０％．塑性也有类似的变化．这一现象与传统疲劳损伤理论不一致．通过对基体材料、ＳｉＣ纤维体以及复合材料板的各自独立循环变形实验可知、这一现象同循环变形过程中纤维与基体的界面结合强度适度降低有关，这种降低有助于复合材料的强度与塑性的配合．

层状金属复合材料激光穿透共熔池焊接研究

介绍了一种适用于层状金属复合材料的高效连接技术。在激光穿透焊接时,熔池中液态金属会受到横向温度梯度引起的表面张力和穿透匙孔中喷射蒸汽摩擦力的共同作用而产生上下两个相对独立的涡流,这一现象会使熔池中上部和下部金属保持相对独立,从而促成焊缝金属的上下层状分布特征,利用这一现象,提出了层状金属复合材料的单道激光穿透共熔池高效焊接技术。利用该技术,成功实现了X65/DSS2205双金属层状复合材料的对接焊,焊接接头组织和成分分析结果表明,焊缝组织上部和下部具有明显的差异性和独立特征,焊缝上下部的合金元素发生了相对较小的流动交换,优化的工艺条件可使复层焊缝金属的稀释率小于3%,使得复合板上层焊缝和下层焊缝金属达到了最大的相对独立性。

金属基复合材料钎焊与液相扩散焊焊接区增强体/基体界面演变行为及其对接头强度的影响

综述了金属基复合材料中增强体/基体(R/M)界面接合类型,对比了焊接条件下与制备条件下R/M界面结合特征的差别。据此首次提出将界面分为一次界面与二次界面的分类方法;进而提出了钎焊与液相扩散焊热循环中R/M界面演变行为模式,即一次界面的损伤/解体与二次界面的重建。讨论了R/M界面演变行为及其对接头强度的直接与间接影响。