碳纖維編織布增強鋁基復(fù)合材料的制備及其滲浸機制研究.pdf

1、碳纖維增強鋁基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強度高、塑性好等優(yōu)點，在交通運輸、國防軍工等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在常規(guī)鑄造復(fù)合條件下，鋁熔體對碳纖維的潤濕能力極差，兩者之間的滲浸過程往往只能在密閉空間內(nèi)通過施加驅(qū)動力而進行。這使得該類復(fù)合材料的生產(chǎn)受到設(shè)備規(guī)模以及模具尺寸等制備條件的限制，無法大量、廣泛的投入到實際生活中。為此，本文以平紋碳纖維編織布作為增強相，探究碳纖維增強鋁基復(fù)合材料在非密閉空間內(nèi)簡單、高效的生產(chǎn)方法，為實現(xiàn)其規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)

2、用提供新的思路與借鑒。
　　本文針對十字平紋編織布中碳纖維的特有分布方式，設(shè)計出一套相應(yīng)的化學(xué)鍍鎳方法對其進行表面金屬化處理，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出兩種碳纖維編織布增強鋁基復(fù)合材料的新型制備技術(shù):其一，電磁滲浸復(fù)合技術(shù)。在液態(tài)復(fù)合過程中施加脈沖磁場，使?jié)B浸過程在磁場的強制驅(qū)動作用下完成。并對熔體的滲浸機制、后期的強化方法以及合金元素的分布行為等進行了系統(tǒng)研究;其二，近固態(tài)鑄軋復(fù)合技術(shù)。在非密閉空間內(nèi)利用軋輥轉(zhuǎn)動提供機械壓力，強制驅(qū)動正

3、處于凝固階段的近固態(tài)覆蓋層對碳纖維編織布發(fā)生滲浸行為。并對界面組織的調(diào)控、雙層纖維的復(fù)合、高硬高強基體的應(yīng)用等相關(guān)技術(shù)進行開發(fā)。最后，探討了碳纖維的添加以及制備工藝的優(yōu)化對復(fù)合材料性能的影響。得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)碳纖維編織布的化學(xué)鍍鎳過程需要鍍液具有極佳的穩(wěn)定性和深鍍能力:20mL/L乳酸的添加能夠通過絡(luò)合反應(yīng)將鍍液中游離態(tài)鎳離子濃度CN12+控制在0.009mol/L，保證鍍層的穩(wěn)定析出時間超過120min;343K

4、溫度下，pH=4的酸性環(huán)境可以保證鍍層以層片狀的析出方式均勻生長;而分散劑十二烷基苯磺酸鈉的存在則能夠通過靜電作用增強鍍液的深鍍能力，使編織布內(nèi)獲得優(yōu)異表面鍍覆效果的碳纖維比例超過80％。該條件下化學(xué)鍍鎳反應(yīng)的活化能Ea=124.52kJ/mol。獲得的鍍層在空氣中加熱時會發(fā)生Ni元素結(jié)晶、Ni-P化合以及Ni-O2氧化三種主要反應(yīng)，而673K保溫60min的處理工藝能夠均衡各反應(yīng)的發(fā)生。該鍍層在電磁滲浸過程中能夠為碳纖維提供充分的潤濕

5、性，而在鑄軋過程中則可以起到足夠的保護作用。
　　(2)電磁滲浸復(fù)合技術(shù)中脈沖磁場的引入使熔體對編織布的滲浸方式由逐層滲浸向梯度同步滲浸轉(zhuǎn)變，滲浸過程除依靠Al-Ni反應(yīng)自發(fā)進行外，還可以憑借電磁力的強制驅(qū)動以及熔體的流動沖擊而實現(xiàn)，滲浸效果得到明顯增強。采用“電磁滲浸復(fù)合+后期熱壓強化(773K，6％下壓量)”方法制備的碳纖維增強Al-Mg(95-5wt.％)基復(fù)合材料，其彎曲強度較純基體提升超過33％。而復(fù)合材料在彎曲過程中的

6、失效行為則主要由裂紋增值擴展以及結(jié)合界面的脫粘分層所導(dǎo)致。
　　(3)近固態(tài)鑄軋復(fù)合過程中，處于凝固階段的近固態(tài)覆蓋層能夠憑借適宜的自身流動性以及合理的外加壓力，在保證碳纖維結(jié)構(gòu)完整、分布穩(wěn)定的情況下，對其實現(xiàn)充分滲浸。該滲浸過程中，近固態(tài)組織中的液態(tài)部分為滲浸碳纖維內(nèi)部的主要填充材料，而固態(tài)部分則起到保證滲浸效果的作用。以此方法制備的十字平紋碳纖維編織布增強鋁基復(fù)合板材能夠?qū)崿F(xiàn)二維空間內(nèi)的多角度強化。單層編織布對工業(yè)純鋁的拉伸強

7、度提升效果達到50％，彎曲強度提升效果達到25％。雙層編織布對彎曲強度的提升效果超過40％。而對于強度、硬度較高的5083鋁基體，液態(tài)鑄軋復(fù)合方法能夠在鑄軋過程中對編織布起到充分的保護作用，使材料彎曲強度提升超過22％。
　　(4)碳纖維與基體界面組織結(jié)構(gòu)的變化能夠?qū)?fù)合材料的強化效果起到顯著影響，在界面由“碳纖維-鍍層（偏聚物）-基體”的間接接觸界面向“碳纖維-基體”的直接接觸界面轉(zhuǎn)變過程中，碳纖維對鋁基體彎曲強度的增強效果由2

8、9MPa提升至37MPa。而在電磁滲浸復(fù)合過程中對澆鑄溫度(993K-1103K)、保溫時間(300s-400s)的控制，以及在近固態(tài)鑄軋復(fù)合過程中采用的浸泡預(yù)處理(1073K、30s)、后期保溫處理(750K，150min)，均能夠有效促進鍍層（偏聚物）的擴散，對復(fù)合界面的組織結(jié)構(gòu)起到有效調(diào)控。
　　(5)在復(fù)合材料的制備過程中，合金元素的行為及分布同時受到其自身屬性以及制備條件兩方面的影響:自身屬性方面，Cu元素多以Al2Cu