（材料學(xué)專業(yè)論文）短碳纖維增強(qiáng)鎳銅基復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

蘭州大學(xué)2 0 0 5 屬碩 1 1 學(xué)位論文 摘要 鎳基合金其有優(yōu)良的耐蝕性 而且強(qiáng)度高 塑性好 易于冷熱加工 是工業(yè)上常 用的耐蝕材料 其中 鎳銅合金是用量大 用途廣的一類 最著名的n i c u 合金是蒙乃 爾 m o n e l 合金 約含7 0 n i 和3 0 c u 它兼有n i 和c u 的許多優(yōu)點(diǎn) 在高溫下有 良好的抗氧化能力 在4 0 0 以下不改變機(jī)械性能 成為電器工業(yè) 海輪制造業(yè)和醫(yī)療 器械制造業(yè)中的重要材料 碳纖維具有高的比強(qiáng)度 高比模量 低密度 耐高溫 耐腐蝕 耐疲勞 抗蠕變 和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能 是一種重要的復(fù)合材料增強(qiáng)體 本研究采用粉末冶金法制備鎳銅合金及短碳纖維增強(qiáng)鎳銅基復(fù)合材料 通過(guò)復(fù)燒 方法強(qiáng)化其性能 然后通過(guò)l a r s o n m i l l e r 參數(shù)方程對(duì)材料進(jìn)行熱處理模擬 研究結(jié)果表明 1 適量碳纖維的加入能顯著提高基體材料的性能 在碳纖維含量為8 時(shí) 硬度 最高 2 若燒結(jié)時(shí)間相同 在一定的溫度范圍內(nèi) 材料的硬度隨著燒結(jié)溫度的升高而增 大 當(dāng)在某一較低溫度下燒結(jié)時(shí) 適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間 也能提高燒結(jié)材料的性能 比如 燒結(jié)溫度為1 2 7 0 燒結(jié)時(shí)間為1 5 小時(shí) 8 c f n i c u 復(fù)合材料的硬度為9 2 1 h v 比1 1 9 0 燒結(jié)時(shí)提高了3 0 8 1 2 4 0 燒結(jié)2 小時(shí)的硬度為8 6 4 h v 與1 2 7 0 燒結(jié)后 的硬度相當(dāng) 3 對(duì)燒結(jié)材料進(jìn)行較低溫度較長(zhǎng)時(shí)問(wèn)的復(fù)燒 可明顯提高材料的性能 例如 8 c f n i c u 復(fù)合材料經(jīng)1 2 4 0 c 燒結(jié)2 小時(shí)的硬度為8 6 4 t t v 再于7 8 0 復(fù)燒5 小時(shí) 硬度為1 0 8 3 h v 比前者提高了2 5 2 4 c f n i c u 復(fù)合材料比n i c u 合余具有更好的耐熱性 根據(jù)l a r s o n m i l l e r 參數(shù)對(duì)材 料進(jìn)行熱處理模擬 復(fù)合材料的硬度明顯高于基體合金 而且 材料的硬度與熱處理 參數(shù)p 值有較好的線性關(guān)系 關(guān)鍵詞 鎳基合金蒙乃爾 m o n e l 合金碳纖維復(fù)合材料粉末冶金法復(fù)壓復(fù) 燒l a r s o n m i l l e r 參數(shù)方程 蘭型查蘭 墮旦堡主蘭些絲壅 a b s t r a c t n i c k e ib a s e d a l l o y i sa g o o da n t i c o r r o s i o nm a t e r i a l s w h i c hh a ss u p e rc o r r o s i o n r e s i s t a n c e h i g hs t r e n g t h h i g hp l a s t i c i t y a n di sp r o n et ob eh o t w o r k i n ga n dm a c l l i 血n g n i c k e l c o p p e ra l l o yi sw i d e l yu s e d t h ef a m o u sn i c k e l c o p p e ra l l o yi sm o n e la l l o y a b o u t 7 0 n i c k e la n d3 0 c o p p e r w h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e sb o t ho f n i c k e la n do f c o p p e r a n d s u p e ra n t i o x i d i z i n gp r o p e r t i e s m o n e la l l o yw i l ln o tc h a n g ei t sm e c h a n i cp r o p e r t i e su n d e r 4 0 0 c i r c u m s t a n c e s oi tb e c o m e sa l l i m p o r t a n tm a t e r i a la te l e c t r i c i t yi n d u s t r y s e a c r a f t m a n u f a c t u r i n g a n de t c c a r b o nf i b e ri sas i g n i f i c a n tr e i n f o r c i n gm a t e r i a l b e c a u s ei th a sas e r i e so fs u p e r p r o p e r t i e so f h i 曲s p e c i f i cs t r e n g f l a h i 曲s p e c i f i cm o d u l u s l o wd e n s i t y a n ds oo i l i nt h i s i n v e s t i g a t i o n n i c k e l c o p p e ra l l o y a n dc 0 n i c uc o m p o s i t e sa r e p r e p a r e db y p o w d e rm e t a l l u r g ym e t h o d r e i n f o r c e di t sp r o p e r t i e sb yr e s i n t e r a n ds i m u l a t e db a s e do n l a r s o n m i l l e rp a r a m e t e rf o r m u l a t h e s t u d yi n d i c a t e s 1 a n a p p r o p r i a t ev o l u m ec o n t e n to f c a r b o nf i b e rc a nn o t a b l yi m p r o v et h ep r o p e r t i e so f m a t e r i a l s w 1 l e nt h ec o n t e n ti s8 t h ec o m p o s i t eh a st h eb i g h e s th a r d n e s s 2 w h e nt h em a t e r i a ls i n t e r sf o rac e r t a i np e r i o do ft i m e i t sh a r d n e s sa n dd e n s i t y i n c r e a s ew i t ht h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gi na r a n g e a n dw h e ni ts i n t e r sa tal o w e r t e m p e r a t u r e p r o p e r l yp r o l o n g i n gt h et i m ec a na l s oi m p r o v et h em a t e r i a l sp r o p e r t i e s f o r e x a m p l e w h e ns i n t e r e da t 1 2 7 0 f o r1 5h o u r s t h eh a r d n e s so f8 c f n i c uc o m p o s i t ei s 9 2 1 h v w h i c h a r e i m p r o v e d b y3 0 8 t h a n 也a t o f a t1 1 9 0 w h e ns i n t e r e da t1 2 4 0 f o r2 h o u r s i t sh a r d n e s si s8 6 4 h v a l m o s te q u a lt ot h a to fa t12 7 0 3 t h ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw i l le n h a n c ea p p a r e n t l yt h r o u g hr e s i n t e ru n d e ra l o w e rt e m p e r a t u r ef o ral o n g e rt i m e f o ri n s t a n c e t h eh a r d n e s so f8 c f n i c uc o m p o s i t ei s 8 6 4 h va f t e rs i n t e r i n ga t1 2 4 0 f o r2h o u r s a n da f t e rr e s i n t e r e d5h o u r su n d e r7 8 0 c i r c u m s t a n c e s i t sh a r d n e s si s1 0 8 3 h v i n c r e a s i n gb y2 5 2 t h a nt h ef o r m e r 4 c f n i c uc o m p o s i t ei sm o r eh e a t r e s i s t a n tt h a nn i c ua l l o y n l eh a r d n e s so ft h e c o m p o s i t e s i s h i g h e rt h a n t h a to fn i c ua l l o ya f t e rs i m u l a t i o nb a s e do nl a r s o n m i l l e r p a r a m e t e r a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh a r d n e s sa n dpi sl i n e a r k e yw o r d s n i c k e l b a s e da l l o y m o n e la l l o y c a r b o n f i b e r c o m p o s i t e s r e s i n t e r l a r s o n m i l l e rp a r a m e t e rf o r m u l a h 原創(chuàng)性聲明 乏i 1 3 1 8 5 6 本人鄭重聲明 本人所呈交的學(xué)位論文 是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立 進(jìn)行研究所取得的成果 學(xué)位論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的 成果 數(shù)據(jù) 觀點(diǎn)等 均已明確注明出處 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi) 容外 不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果 對(duì) 本文的研究成果做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式 標(biāo)明 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 星臣t 熟 同 期 彬 上 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品 知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬 蘭州大學(xué) 本人完全了解蘭州大學(xué)有關(guān)保存 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意 學(xué)校保存或向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電子版 允許論文 被查閱和借閱 本人授權(quán)蘭州大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編 入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用任何復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 本人離校后發(fā)表 使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果 時(shí) 第一署名單位仍然為蘭十i 1 大學(xué) 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 論文作者簽名 霹l l 筮導(dǎo)師簽名 燃日 期 盟 蘭州大學(xué)2 0 0 5 屆碗干學(xué)位論文 1 緒論 1 1 復(fù)合材料概述 材料是人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ) 材料的更新與進(jìn)步促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展 時(shí) 至今日 人們已逐漸掌握了材料的組成 結(jié)構(gòu)和性能之問(wèn)的內(nèi)在關(guān)系 可以按照使用 要求對(duì)材料性能進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)造 復(fù)合材料就是用兩種或兩種以上不同性能 不同形態(tài)的組分材料通過(guò)一一定的 藝 方法將它們復(fù)合而成的一種多相材料i l j 這種復(fù)合材料既保留了原有材料組分的特 性 又克服了組分材料的不足 并還能顯示出某種新的性能 從復(fù)合材料的組成與結(jié) 構(gòu)分析 其中有一相是連續(xù)的稱為基體相 另 一相是分散的 被基體包容的稱為增強(qiáng) 相 增強(qiáng)相與基體相之間有一個(gè)交界面稱為復(fù)合材料界面 復(fù)合材料的各個(gè)相在界面 上可以物理地分開(kāi) 也就是說(shuō) 復(fù)合材料是由基體相 增強(qiáng)相和界面相組成的 不同的基體材料和增強(qiáng)物可組合成品種繁多的復(fù)合材料 通常根據(jù)基體相的不同 將復(fù)合材料分成三大類 樹(shù)脂基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料和陶瓷基 含碳基 復(fù)合 材料 與傳統(tǒng)材料相比 復(fù)合材料有下述特點(diǎn) 1 可設(shè)計(jì)性復(fù)合材料的力學(xué) 機(jī)械及熱 聲 光 電 防腐 抗老化等物 理 化學(xué)性能都可按制件的使用要求和環(huán)境條件要求 通過(guò)組分材料的選擇和匹配以 及界面控制等材料設(shè)計(jì)手段 最大限度地達(dá)到預(yù)期目的 以滿足工程設(shè)備的使用性能 2 材料與結(jié)構(gòu)的同一性復(fù)合材料構(gòu)件與材料是同時(shí)形成的 它由組成復(fù)合 材料的組分材料在復(fù)合成材料的同時(shí)也就形成了構(gòu)件 由于復(fù)合材料這一特點(diǎn) 使其 結(jié)構(gòu)的整體性好 可大幅度地減少零部件和連接件數(shù)量 從而縮短加工周期 降低成 本 提高構(gòu)件的可靠性 3 發(fā)揮復(fù)合效應(yīng)的優(yōu)越性復(fù)合材料經(jīng)過(guò)復(fù)合工藝形成的 它既能保留原有 材料組分的特性 又可克服組分材料的不足 并且還可能按復(fù)合效應(yīng)而形成新的性能 這種復(fù)合效應(yīng)是復(fù)合材料僅有的 4 材料性能對(duì)復(fù)合材料工藝的依賴性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在形成的過(guò)程中有組分 材料的物理和化學(xué)的變化 過(guò)程非常復(fù)雜 因此構(gòu)件的性能對(duì)工藝方法 工藝參數(shù) 工藝過(guò)程等依賴性較大 同時(shí)也由于在成型過(guò)程中很難準(zhǔn)確地控制工藝參數(shù) 所以一 般來(lái)說(shuō) 復(fù)合材料構(gòu)件的性能分散性也是比較大的 1 2金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料是以金屬及其合金為基體 通過(guò)與高強(qiáng)度 高模量 耐熱性好 的纖維 顆?；蚓ы毜仍鰪?qiáng)相復(fù)合而成的復(fù)合材料 恰當(dāng)?shù)墓に囀侄慰墒菇饘倩鶑?fù)合 材料兼有基體金屬或合金好的韌性和增強(qiáng)體好的剛度和強(qiáng)度 與金屬或合金相比 金屬基復(fù)合材料還具有比重小 強(qiáng)度大 耐磨性好 高溫 蘭州大學(xué)2 0 0 5 屆碩士學(xué)位論文 性能好等優(yōu)勢(shì) 物理性能和力學(xué)性能更加優(yōu)異 因而成為近年來(lái)高技術(shù)新材料開(kāi)發(fā)的 重要領(lǐng)域 1 2 1 金屬基復(fù)合材料的分類 金屬基復(fù)合材料品種繁多 有各種分類方式 按照增強(qiáng)材料的類型可分為f 3 1 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 利用高強(qiáng)度 高模量 低密度的碳 石墨 纖維 硼纖維 碳化硅纖維 氧化鋁纖維 金屬合金絲等增強(qiáng)金屬基體組成高性能復(fù) 合材料 通過(guò)基體 纖維類型 纖維排布方向及含量的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合 可獲得各種高 性能 在纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中 纖維具有很高的強(qiáng)度 模量 是復(fù)合材料的主 要承載體 對(duì)材料起增強(qiáng)作用 基體金屬主要起固定纖維 傳遞載荷 部分承載的作 用 2 非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 它是由短纖維 晶須 顆粒等增強(qiáng)物 與 金屬基體復(fù)合而成的復(fù)合材料 增強(qiáng)物在基體中隨機(jī)分布 其性能各向同性 非連續(xù) 增強(qiáng)物的加入 可以提高金屬的耐磨 耐熱性 高溫力學(xué)性能 彈性模量 降低熱膨 脹系數(shù)等 非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料最大的特點(diǎn)是 可以用常規(guī)的粉末冶金 液態(tài) 金屬攪拌 液態(tài)金屬擠壓鑄造 真空壓力浸漬等方法制造 適合于大批量生產(chǎn) 在汽 車(chē) 電子 航空 儀表等工業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景 3 層板金屬基復(fù)合材料 將兩種或兩種以上優(yōu)化設(shè)計(jì)和選擇的層板相互完全粘 結(jié)在一起組成層板復(fù)合材料 它具有單一板材所難以達(dá)到的綜合性能 如抗腐蝕 耐 磨 抗沖擊 高導(dǎo)熱 導(dǎo)電性 高阻尼等性能特點(diǎn) 4 自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 在金屬基體內(nèi)部通過(guò)反應(yīng) 定向凝固等途徑生長(zhǎng) 出顆粒 晶須 纖維狀增強(qiáng)物 組成自生金屬基復(fù)合材料 1 2 2 金屬基復(fù)合材料的復(fù)合準(zhǔn)則 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不悶化學(xué)組分 不同性能的材料組成的 它們遵 循什么樣的法則來(lái)進(jìn)行復(fù)合 如何才能使復(fù)合后的整體性能優(yōu)于組分材料 即僳留所 期望的特性 如高強(qiáng)度 高剛度 重量輕 抑制不期望的特性 如低延性 都是復(fù) 合原理所要探討的 目前關(guān)于復(fù)合原理的理論研究仍處于發(fā)展中 4 j 1 2 2 1 復(fù)合材料的相容性 復(fù)合材料的相容性i5 是指復(fù)合材料在制造和使用過(guò)程中各組分之間相互協(xié)調(diào) 配 合的程度 相容性包括兩大方面 即物理相容性和化學(xué)相容性 物理相容要求復(fù)合材料在承受壓力作用和環(huán)境溫度變化時(shí) 各項(xiàng)組分材料的力學(xué) 性能和其他物理性能能夠相互協(xié)調(diào) 匹配 物理相容性主要指力學(xué)相容性和熱相容性 力學(xué)相容主要是指基體應(yīng)有足夠的強(qiáng) 度和韌性 能將載荷均勻地傳遞到增強(qiáng)物上 而不產(chǎn)生明顯的不連續(xù)現(xiàn)象 此外 還 要求基體有高的延展性和屈從性 松弛基體與增強(qiáng)物之間的應(yīng)力集中 熱相容是指基 體與增強(qiáng)物在熱膨脹時(shí)的相互配合程度 要求合適的熱膨脹系數(shù)及比例 不至于在經(jīng) 受高溫后或熱循環(huán)時(shí) 產(chǎn)生有害的附加應(yīng)力而損害其力學(xué)性能 一般應(yīng)避免高的殘余 應(yīng)力 兩相熱膨脹系數(shù)相差應(yīng)較小 化學(xué)相容性包括熱力學(xué)相容性和動(dòng)力學(xué)相容性 化學(xué)相容性最重要的問(wèn)題是基體 蘭州大學(xué)2 0 0 3 屆碩 學(xué)位論文 與增強(qiáng)體之間的化學(xué)反應(yīng) 基體與增強(qiáng)材料之間的相容性關(guān)系到復(fù)合材料在制造和使 用過(guò)程中它們的組織和性能是否長(zhǎng)期持久穩(wěn)定 這是復(fù)合材料是否有實(shí)用價(jià)值的決定 因素 對(duì)于原位復(fù)合材料而言 在制造過(guò)程中各組分是熱力學(xué)平衡的 但在使用條件 下如果有明顯變化就會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定 而對(duì)于纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料而言 通常要求 二者之間具有良好的潤(rùn)濕性 潤(rùn)濕性與組分材料的表面能 纖維表面粗糙度有關(guān) 一 般提高成型溫度可以改善潤(rùn)濕性 但又會(huì)引起化學(xué)反應(yīng) 實(shí)際應(yīng)用中通常對(duì)纖維表面 進(jìn)行各種表面處理和化學(xué)改性 或在基體中加入其他化學(xué)成分 或改變成型時(shí)的環(huán)境 氣氛等方法來(lái)改變熱力學(xué)相容性問(wèn)題 對(duì)待基體與增強(qiáng)體之間的化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題 既要 求促進(jìn)兩相間的結(jié)合 又要避免不利反應(yīng)的發(fā)生 有時(shí)希望通過(guò)組分間的化學(xué)反應(yīng)來(lái) 促進(jìn)基體與增強(qiáng)材料之間的結(jié)合 有些組元?jiǎng)t希望避免化學(xué)反應(yīng)以減少纖維損傷或在 界面形成硬脆相 形成適中的界面結(jié)合才能夠保證基體有效地將載荷傳遞給增強(qiáng)體 1 2 2 2 力學(xué)性能復(fù)合 混合定律是復(fù)合材料理論中重要的基本規(guī)律 以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例 設(shè)x 為復(fù)合材料的某 工程常數(shù) 纖維和基體相應(yīng)的工程常數(shù)分別為 和j 乞 若纖維和 基體的界面結(jié)合完善 則有如下的一般形式的混合定律 x 2x f x 式中 和 分別為纖維和基體的體積含量 1 在復(fù)合材料力學(xué)性能中 彈性模量的復(fù)合是一種混合效應(yīng) 一般遵守混合定律 而強(qiáng)度問(wèn)題比較復(fù)雜 用混合定律預(yù)測(cè)復(fù)合材料的強(qiáng)度存在較大的誤差 6 1 1 2 2 3 物理性能的復(fù)合準(zhǔn)則 通常 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 電導(dǎo)率 磁導(dǎo)率 比熱 介電常數(shù) 密度等的復(fù)合準(zhǔn) 則和彈性模量一樣服從混合定律 至于其它性能的復(fù)合規(guī)律還不是很清楚 1 2 3 金屬基復(fù)合材料的界面 復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)材料之間的相互作用是通過(guò)所形成界面的性質(zhì)和強(qiáng)度而 表現(xiàn)出來(lái)的 界面是基體與增強(qiáng)體連接的橋梁 是基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著 變化的 構(gòu)成彼此結(jié)合的 能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域 7 8 9j 此區(qū)域一般不均勻 不連續(xù) 它包含了基體和增強(qiáng)材料的部分原始接觸面 基體和增強(qiáng)材料閩相互作用生 成的反應(yīng)產(chǎn)物 析出的新相 這些產(chǎn)生相與基體及增強(qiáng)材料的接觸面 基體與增強(qiáng)體 的互擴(kuò)散層 基體與材料上的氧化物 由環(huán)境中轉(zhuǎn)來(lái)的雜質(zhì)等等 因此界面的化學(xué)成 分和相結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 界面是復(fù)合材料中除物相組成外最重要的技術(shù)關(guān)鍵 這是因?yàn)榱?化學(xué)及功 能 的傳遞都要通過(guò)界面進(jìn)行 同時(shí) 在復(fù)合材料中界面面積占很大的比例 它的性質(zhì)直 接影響著復(fù)合材料的各項(xiàng)性能 蘭州大學(xué)2 0 0 5 屆碩士學(xué)位論文 1 2 3 1 界面效應(yīng) 界面是復(fù)合材料的固有特征 界面的機(jī)能可歸納為以下幾種效應(yīng) 一 傳遞效應(yīng)界麗能傳遞力 即將外力傳遞給增強(qiáng)物 起到基體和增強(qiáng)物之 間的橋粱作用 二 阻斷效應(yīng)結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展 中斷材料破壞 減緩應(yīng)力集 中的作用 三 不連續(xù)效應(yīng)在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象 如抗電性 電感應(yīng)性 磁性 耐熱性 尺寸穩(wěn)定性等 四 散射和吸收效應(yīng)光波 聲波 熱彈性波 沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸 收 如透光性 隔熱性 隔音性 耐機(jī)械沖擊及耐沖擊性等 五 誘導(dǎo)效應(yīng)一種物質(zhì) 通常是增強(qiáng)物 的表面結(jié)構(gòu)使另一種與之接觸的物 質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變 由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象 如強(qiáng)的彈性 低的膨脹性 耐沖擊性和耐熱性等 界面上產(chǎn)生的這些效應(yīng) 是任何一種單體材料所沒(méi)有的特性 它對(duì)復(fù)合材料具有 重要作用 例如 粒子彌散強(qiáng)化金屬中微小粒子阻止晶格位錯(cuò) 從而提高復(fù)合材料強(qiáng) 度 在纖維增強(qiáng)塑料中 纖維與基體界面阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展等 界麗效應(yīng)與界面本 身的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 基體和增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 工藝參數(shù)等密切相關(guān) 1 2 3 2 界面類型 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面類型及其特點(diǎn)如下 i 類界面 增強(qiáng)物與基體互不反應(yīng)亦互不溶解 這類界面是平整的 厚度僅為 分子層的程度 除原組成成分外 界面上基本不含其他物質(zhì) 如 c u w c u a 1 2 0 3 a g a 1 2 0 3 等e i i 類界面 增強(qiáng)物與基體不反應(yīng)但能相互溶解 這類界面是由原組成成分構(gòu)成 的犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散型界面 基體中的合金元素和雜質(zhì)可能在界面上富集或貧化 如 n i c n b w c u c r 合金 w 等 i 類界面 增強(qiáng)物與基體相互反應(yīng)形成界面反應(yīng)層 這類界面含有亞微級(jí)左右 的界面反應(yīng)物質(zhì)層 界面反應(yīng)層 此反應(yīng)產(chǎn)物層一般不均勻 如 c u t i t i a 1 2 0 3 t i b 等 1 2 3 3 界面結(jié)合方式 結(jié)合的最佳方式是盡可能選擇既有利于相互閩的潤(rùn)濕結(jié)合 又有利于形成穩(wěn)定的 界面 但在實(shí)際制備復(fù)合材料過(guò)程中 基體與增強(qiáng)體之間未必具有良好的潤(rùn)濕性 往 往不能達(dá)到最佳的界面結(jié)合 目前 為改善基體材料與增強(qiáng)材料之間潤(rùn)濕性 常常使 用如下方法 改變?cè)鰪?qiáng)材料的表面狀態(tài)及化學(xué)成分 例如 對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行物理清洗 化學(xué)清洗 電化學(xué)拋光 腐蝕 涂層等等 改變基體的化學(xué)成分 以降低界面張力或 在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)結(jié)合型界面 在實(shí)際的復(fù)合材料中 基體與增強(qiáng)材料之問(wèn)以以下幾種方式結(jié)合起來(lái)的 1 機(jī)械結(jié)合基體與增強(qiáng)材料之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 純粹是機(jī)械連接 這 種結(jié)合是靠粗糙的纖維表面和基體產(chǎn)生摩擦力而實(shí)現(xiàn)的 只能在平行于纖維的方向上 蘭卅i 大學(xué)2 0 0 5 屆碩士學(xué)位論文 承受載荷 2 潤(rùn)濕和擴(kuò)散復(fù)合過(guò)程中液態(tài)的基體在增強(qiáng)材料表面鋪展 潤(rùn)濕 然后發(fā) 生原子或分子的相互擴(kuò)散 相互滲透 從而形成界面 3 反應(yīng)結(jié)合基體與增強(qiáng)材料問(wèn)發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 在界面形成新的化合物 4 混合結(jié)合上述結(jié)合方式中幾種的組合 是一種普遍的結(jié)合方式 1 2 3 4 界面反應(yīng)及其控制 金屬基復(fù)合材料都在基體熔點(diǎn)附近或者在固相線與液相線之間的高溫下制造 因 此基體和增強(qiáng)材料之間發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)往往不可避免 界面反應(yīng)可能引起三種情況發(fā)生 一是可以促進(jìn)液態(tài)金屬基體對(duì)增強(qiáng)材料的潤(rùn) 濕 提高界面結(jié)合強(qiáng)度 這種反應(yīng)有利于基體與增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕 復(fù)合 形成最佳界 面結(jié)合 二是可能生成各種類型的脆性化舍物 這類反應(yīng)一般形成強(qiáng)界面結(jié)合 在應(yīng) 力作用下不發(fā)生界面膠粘 裂紋易向增強(qiáng)材料中擴(kuò)展 造成復(fù)合材料的低應(yīng)力破壞 因此這類反應(yīng)應(yīng)該避免 三是造成增強(qiáng)材料損傷和基體成分改變 這類界面反應(yīng)嚴(yán)重 常使增強(qiáng)材料損傷嚴(yán)重 合金元素顯著消耗 界面結(jié)合過(guò)強(qiáng) 復(fù)合材料性能急劇下降 甚至低于未增強(qiáng)的基體 這類界面反應(yīng)必須避免 對(duì)于制備高性能的金屬基復(fù)合材料 控制界面反應(yīng)程度極為重要 使得到合適的 界面結(jié)合強(qiáng)度 既能有效傳遞載荷 又能調(diào)節(jié)應(yīng)力分布 阻止裂紋擴(kuò)展 目前 界面 反應(yīng)控制的途徑主要有p j 1 增強(qiáng)材料的表面涂覆處理 為了有效地防止界面反應(yīng)和獲得合適的界面結(jié)構(gòu) 性能 以及改善基體金屬與增 強(qiáng)物的潤(rùn)濕性 在增強(qiáng)物表面涂覆上一層涂層是一種有效的途徑 表面涂層的主要作 用有 i 有效地防止基體金屬與增強(qiáng)物之間的界面反應(yīng) 相互擴(kuò)散 溶解等 避免損 傷增強(qiáng)物和生成有害的反應(yīng)物 i i 有效地改善基體金屬與增強(qiáng)物之間的浸潤(rùn)性 1 1 i 優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和性能 形成能充分發(fā)揮增強(qiáng)物和基體特性的結(jié)構(gòu) 2 金屬基體合金化 向液態(tài)金屬中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪乜梢宰柚够驕p緩界面反應(yīng) 原則上加入的合金 元素能與增強(qiáng)材料發(fā)生輕微反應(yīng) 生成致密的產(chǎn)物覆蓋在增強(qiáng)材料表面 阻止其與基 體主金屬的直接接觸 還能改善潤(rùn)濕性 由于復(fù)合材料與合金的強(qiáng)化機(jī)制不同 在合 金中形成強(qiáng)化相的合金元素對(duì)復(fù)合材料卻有害 如在含銅高的鋁合金中的強(qiáng)化相 c u a l 2 易成為橋接纖維的脆性相 引起復(fù)合材料的脆性破壞 因此在選擇現(xiàn)有合金 作為復(fù)合材料基體時(shí)就慎重考慮 3 優(yōu)化制備方法和工藝參數(shù) w 因?yàn)闇囟仍礁?在高溫下停留時(shí)間越長(zhǎng) 則反應(yīng)越激烈 因此 在制備方法和工 藝參數(shù)的選擇上應(yīng)首先考慮溫度 高溫停留時(shí)間和冷卻速度 在確保復(fù)合完好的情況 下 制各溫度應(yīng)盡可能低 在高溫下保持時(shí)間盡可能短 在界面反應(yīng)濕度區(qū)冷卻速度 盡可能快 低于反應(yīng)溫度后應(yīng)減小冷卻速度 以免造成大的殘余應(yīng)力影響材料性能 蘭州大學(xué)2 0 0 5 屆礁土學(xué)位論文 1 2 3 5 影響復(fù)合材料強(qiáng)度的主要因素 在工程應(yīng)用上 強(qiáng)度是衡量材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一 影響金屬基復(fù)合材 料強(qiáng)度的因素很多 主要有1 1 1 1 1 基體 不同的基體對(duì)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 結(jié)合強(qiáng)度有較大的影響 但并 不是基體強(qiáng)度越高 復(fù)合材料的強(qiáng)度就越高 而是存在一個(gè)最佳匹配 通過(guò)優(yōu)化選擇 與合理的匹配 強(qiáng)度較低的基體材料也能獲得強(qiáng)度較高的復(fù)合材料 2 增強(qiáng)體 增強(qiáng)材料的性質(zhì)對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用 增強(qiáng)體的加入 可以 引起基體合金的顯微組織變化 對(duì)亞結(jié)構(gòu) 位錯(cuò)組態(tài) 及晶粒尺寸等的改變也有重要 的影響 例如 s i c p a l 復(fù)合材料由于增強(qiáng)顆粒的加入 l 引 晶界面積增加 固溶處理 時(shí) 基體內(nèi)因熱錯(cuò)配產(chǎn)生的位錯(cuò) 異號(hào)位錯(cuò)相互抵消 同號(hào)位錯(cuò)則以攀移排列在垂直 予滑移晶面的小角度晶界形成 啞晶界 這樣亞晶界面積也隨之相應(yīng)增加 由h a l l p e t c h 關(guān)系式可知 晶界 亞晶界的增加 基體合金晶粒 亞晶結(jié)構(gòu)和共晶s i 顆粒細(xì)化 可在一定程度上提高復(fù)合材料的強(qiáng)度 此外 增強(qiáng)材料是載荷的主要承受者 3 界面 界面是影響復(fù)合材料行為的關(guān)鍵因素之一 金屬基復(fù)合材料宏觀性能的好壞很大 程度上取決于基體和增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合狀況 為了獲得更高的強(qiáng)度 一般要求形 成穩(wěn)定的界面結(jié)合 界面結(jié)構(gòu)與性能是基體和增強(qiáng)體性能能否充分發(fā)揮 形成最佳綜 合性能的關(guān)鍵 4 基體和增強(qiáng)體的相容性 1 0 1 復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體之間的褶容性是復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò)程中最值得考慮的問(wèn)題 之一 復(fù)合材料的相容性是指復(fù)合材料在制造和使用過(guò)程中各組分之間相互協(xié)調(diào) 配 合的程度 相容性包括兩大方面 即物理相容性和化學(xué)相容性 在金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中金屬基體與增強(qiáng)物在高溫復(fù)合過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同 程度的界面反應(yīng) 基體金屬中往往含有不同類型的合金元素 這些合金元素與增強(qiáng)物 的反應(yīng)程度不同 反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同 需在選用基體合金成分時(shí)充分考慮 盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)物漫潤(rùn)復(fù)合 又有利于形成合適穩(wěn)定的界面的合會(huì)元 素 因此 在選擇基體時(shí)應(yīng)充分考慮與增強(qiáng)物的相容性 特別是化學(xué)相容性 1 1 另外 在研究相容性時(shí) 應(yīng)充分考慮以下幾個(gè)問(wèn)題i l2 j 兩相中元素的反應(yīng)自 由能 表面能 擴(kuò)散的途徑和效應(yīng) 5 工藝 金屬基復(fù)合材料的性能 應(yīng)用等在很大程度上取決于其制造工藝和方法 不同的 制備工藝使得復(fù)合材料的性能有很大的差異 例如 用原位生成法制備的復(fù)合材料 由于原位增強(qiáng)相不僅尺寸非常細(xì)小 一般小于1 微米 而且與基體有著良好的界面相 容性 從而使得這種復(fù)合材料比傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)相復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度i l 引 高能 球磨法使增強(qiáng)體顆粒能均勻彌散分布于基體中 而常規(guī)混合法制備的復(fù)合材料中存在 增強(qiáng)體顆粒的偏聚現(xiàn)象 增強(qiáng)相在基體中的分布越均勻越有利于提高復(fù)合材料的強(qiáng)度 1 4 1 另外 熱處理工藝和二次加工對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度都有很大的影響 蘭州大學(xué)2 0 0 5 屆顴l 學(xué)位論文 1 2 4 金屬基復(fù)合材料的制造技術(shù) 金屬基復(fù)合材料制造方法及工藝是影響復(fù)合材料迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn) 題 在制造金屬基復(fù)合材料時(shí) 對(duì)制造方法提出了幾個(gè)主要要求 l 1 制造過(guò)程中要使增強(qiáng)物按設(shè)計(jì)要求在金屬基體中均勻分布 如 連續(xù)纖維 的分布及方向 一定的體積分?jǐn)?shù)等 顆粒 晶須 短纖維等均勻分布于基體中 等等 2 制造過(guò)程中不造成增強(qiáng)物和金屬基體原有性能的下降 特別是避免高性能 連續(xù)纖維的損傷 使增強(qiáng)物和金屬的優(yōu)良性能得以疊加和互補(bǔ) 3 應(yīng)避免各種不利的反應(yīng)發(fā)生 如基體金屬的氧化 基體金屬與增強(qiáng)物之問(wèn) 界面反應(yīng)等 要求通過(guò)合理選擇工藝參數(shù)獲得合適的界面結(jié)構(gòu)和性能 使增強(qiáng)物的性 能和增強(qiáng)效果得以充分發(fā)揮 以及金屬基復(fù)合材料組織性能的穩(wěn)定 4 制造方法應(yīng)適合于批量生產(chǎn) 盡可能直接制成接近最終形狀尺寸的金屬基 復(fù)合材料零件 1 2 i t 1 金屬基復(fù)合材料制造的關(guān)鍵性技術(shù) 增強(qiáng)物與金屬基體材料復(fù)合在一起的必要條件是金屬必須具有足夠的流動(dòng)性 成 型性 使金屬能浸滲和充填到增強(qiáng)物之間與增強(qiáng)物復(fù)合在一起 基體金屬與增強(qiáng)物要 有良好的浸潤(rùn)性 否則難以復(fù)合在一起 而基體金屬一一般均有較高的熔化溫度 在室 溫時(shí)呈致密的固體 要把大量尺寸細(xì)小的纖維 晶顏 顙粒等增強(qiáng)物按一定比例的含 量 分布 排列方向與金屬基體復(fù)合在一起 難度很大 由于金屬所固有的物理和化學(xué)特性 在制造過(guò)程中還需要解決一些關(guān)鍵性技術(shù) 其中主要表現(xiàn)于1 1 6 1 由于制備溫度高 金屬基復(fù)合材料在高濕下易發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng) 氧化 反應(yīng)等有害的化學(xué)反應(yīng) 在制備過(guò)程中 為了確?；w的浸潤(rùn)性和流動(dòng)性 需要采用很高的加工溫度 往 往接近或高于基體的熔點(diǎn) 在高溫下 基體與增強(qiáng)材料易發(fā)生界面反應(yīng) 使材料產(chǎn)生 早期低應(yīng)力破壞 高溫下反應(yīng)產(chǎn)物通常呈脆性 會(huì)成為復(fù)合材料整體破壞的裂紋源 因此 嚴(yán)格控制復(fù)合材料制備溫度及在商溫下的持續(xù)時(shí)問(wèn)是最關(guān)鍵的工藝參數(shù) 在確 保金屬基體與增強(qiáng)物良好復(fù)合的前提下 制備溫度應(yīng)盡可能低 復(fù)合過(guò)程的時(shí)間應(yīng)盡 可能短 解決的方法是 第一 盡量縮短高溫作業(yè)時(shí)間 使增強(qiáng)相與基體的界面反應(yīng)降低 至最低程度 第二 通過(guò)提高工作壓力使增強(qiáng)相與基體浸潤(rùn)速度加快 2 金屬基體和增強(qiáng)材料之間浸潤(rùn)性差 甚至不浸潤(rùn) 絕大多數(shù)的金屬基復(fù)合材料中 基體對(duì)增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性都很差 有時(shí)根本不發(fā)生 浸潤(rùn)現(xiàn)象 解決的方法是 第一 加入合金元素 優(yōu)化基體組分 改善基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸 潤(rùn)性 常用臺(tái)金元素有 鈦 鋯 鈮 鈰等 第二 對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理 涂敷 一層可抑制界面反應(yīng)的涂層 可有效改善浸潤(rùn)性 表面涂層涂覆方法較多 如化學(xué)氣 相沉積 物理氣相沉積 溶膠 凝膠 電鍍或化學(xué)鍍等 3 按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求將增強(qiáng)材料按所需含量和方向均勻地分布在基體中 也是 金屬基復(fù)合材料制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一 蘭州火學(xué)2 0 0 5 屆碩 卜學(xué)位論文 1 2 4 2 金屬基復(fù)合材料的制造方法 金屬基復(fù)合材料的制各方法可分為固相法 液相法和自生成法及其它制造方法 其中典型的制造工藝有固態(tài)法 攪拌鑄造 壓力鑄造 流變鑄造以及噴涂沉積法 等 金屬基復(fù)合材料的品種繁多 應(yīng)該根據(jù)基體金屬的物理 化學(xué)性質(zhì)和增強(qiáng)材料的 幾何形狀 物理 化學(xué)性質(zhì)選擇不同的制造方法 下面介紹幾種常用的制造方法 1 固態(tài)法 將金屬粉末或金屬箔與增強(qiáng)物 纖維 晶須 顆粒等 按設(shè)計(jì)要求以一定的含量 分布 方向混合排布在一起 再經(jīng)加熱 加壓 將金屬基體與增強(qiáng)物復(fù)合粘結(jié)在一起 形成復(fù)合材料 這種制備工藝稱為固態(tài)復(fù)合成型工藝 整個(gè)工藝過(guò)程處于較低的溫度 金屬基體與增強(qiáng)物均處于固體狀態(tài) 金屬與增強(qiáng)物之間的界面反應(yīng)不嚴(yán)重 粉末冶金 法 熱壓法 熱等靜壓法 軋制法 擠壓和拉拔法 爆炸焊接法等等均屬于固態(tài)復(fù)合 成型方法 在某些方法中 如熱壓法 為了復(fù)合更好 有時(shí)希望有少量液相存在 即溫度控制在基體合金液相線和固相線之間 目前 粉末冶金法是一種比較成熟的工藝方法 合金粉末和增強(qiáng)物可以按所需要 的任何比例混合 增強(qiáng)物的含量不受工藝方法的限制 所選用的顆粒大小也可以在較 大范圍內(nèi)選擇 粉末冶金法主要用于顆粒 晶須 短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 以制 造各種尺寸精密的粉末冶金零件 這種方法適合于批量生產(chǎn) 直接做出尺寸 形狀準(zhǔn) 確的零件 減少了后續(xù)加工 工藝靈活性大 粉末冶金法的工藝流程大致分為以下三類 顆粒 晶須 1 合金粉末 j 顆粒 晶須 合金粉末 混臺(tái)i 1 熱壓r 圳一 一 一成品零件 一 j l 復(fù)合材料坯卜 一擠壓 軋 一 制 鍛造 i 一 一一一 r 一 1l 一 混合r 冷壓 1 燒結(jié) l 成品零件i 一 一 l 一 顆粒 晶須 一一 一 怛j 一一鬯孥塑墾 一 擠壓 合金粉末一一一 圖1 1粉末冶金法制造金屬基復(fù)合材料的工藝流程 f i g 1 1 t e c h r d c sf l o w o f f a b r i c a t i n g m e t a lb a s e d c o m p o s i t eb yp m 粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn) 1 燒結(jié)或熱等靜壓的溫度低于金屬的熔點(diǎn) 可以減少因高溫引起的增強(qiáng)材 料與金屬基體的界面上的反應(yīng) 同時(shí) 可以通過(guò)燒結(jié)或熱等靜壓的溫度 壓力和時(shí)間 等工藝參數(shù)的調(diào)整來(lái)控制界面反應(yīng) 蘭州人學(xué)2 0 0 5 屆碩士學(xué)位論文 2 可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的金屬基復(fù)合材料的性能要求 制造任意比例的短纖維或 顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料 3 可以降低增強(qiáng)體與基體相互潤(rùn)濕的要求 也降低增強(qiáng)體與基體的密度差的 要求 能使顆?；蚨汤w維均勻分布在金屬基復(fù)合材料中 4 粉術(shù)冶金法制備的金屬基復(fù)合材料可以通過(guò)傳統(tǒng)的金屬加工方法進(jìn)行二次 加工 進(jìn)一步提高性能和尺寸精度 2 液態(tài)法 液態(tài)法是指基體金屬處于熔融狀態(tài)下與固態(tài)的增強(qiáng)材料復(fù)合在一起的方法 金屬 在熔融態(tài)流動(dòng)性好 在一定的外界條件下容易進(jìn)入增強(qiáng)物間隙中 為了改善液態(tài)金屬 基體對(duì)增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕性 可采用加壓浸滲 或采用向基體中添加合金元素的方法 還可以通過(guò)纖維 顆粒表面涂層處理使金屬液與增強(qiáng)物自發(fā)浸潤(rùn) 真空壓力浸潤(rùn)法 擠壓鑄造法 攪拌鑄造法 液態(tài)金屬浸漬法 共噴沉積法 熱噴涂法等都屬于液態(tài)法 3 沉積法 沉積法是將纖維束的每根單絲沉積上構(gòu)成復(fù)合材料所需的基體材料 然后進(jìn)行擴(kuò) 散粘結(jié)制成致密的復(fù)合材料 沉積工藝有 浸涂 電鍍 噴涂 化學(xué)氣相沉積 c v d 物理氣相沉積 p v d 等 4 原位自生成法 原位自生成法 l7 就是指增強(qiáng)材料在復(fù)合材料制造過(guò)程中在基體中生成和生長(zhǎng)的 方法 增強(qiáng)材料可以共晶的形式從基體中凝固 也可由加入的相應(yīng)元素之間的反應(yīng) 或合金熔體中的某種組分與加入的元素或化合物之間的反應(yīng)生成 原位自生成復(fù)合材 料中基體與增強(qiáng)物間的相容性好 界面干凈 結(jié)合牢固 特別當(dāng)增強(qiáng)材料與基體之間 有共格或半共格關(guān)系時(shí) 能非常有效地傳遞應(yīng)力 界面上不生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物 因 此這種復(fù)合材料有較優(yōu)異的力學(xué)性能 它包括定向凝固法 反應(yīng)自生成法和液相反應(yīng) 自生成法 1 2 5 金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀 金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度 高比模量 低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的性能 可廣泛 應(yīng)用予民用工業(yè)和軍事 航空 航天等領(lǐng)域 近年來(lái)部分產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn) 從復(fù)合材料的發(fā)展來(lái)看 金屬基復(fù)合材料的研究與開(kāi)發(fā)主要集中在以下幾個(gè)方 面 1 不同金屬基體與不同種類與形態(tài)的增強(qiáng)材料的復(fù)合效果 復(fù)合材料的性能 2 新型增強(qiáng)材料的開(kāi)發(fā) 包括金屬與非金屬纖維 顆粒 晶須 片晶等 3 各種金屬基復(fù)合材料的制備工藝的研究與開(kāi)發(fā) 包括固態(tài)法 液態(tài)法 噴 涂與噴射沉積和原位復(fù)合法等 以提高復(fù)合材料的性能和降低成本 4 增強(qiáng)相 基體界面優(yōu)化的研究 包括各種金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu) 界面 穩(wěn)定性 界面結(jié)合與反應(yīng)以及界面反應(yīng)控制等 5 擴(kuò)大金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域與范圍 蘭卅i 大學(xué)2 0 0 5 屆碩 i 學(xué)位論文 1 3 增強(qiáng)機(jī)理 1 3纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 根據(jù)增強(qiáng)材料的不同 金屬基復(fù)合材料可以分為彌散強(qiáng)化 顆粒增強(qiáng)和纖維增強(qiáng) 三種 它們的增強(qiáng)原理各不相同i l 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是由連續(xù) 長(zhǎng) 纖維或刁 連續(xù) 短 纖維與金屬基體復(fù) 合而成 在復(fù)合材料受力時(shí) 高強(qiáng)度 高模量的增強(qiáng)纖維承受大部分載荷 而基體主 要作為媒介 傳遞和分散載荷 位于基體中的增強(qiáng)纖維 其表面受到基體的保護(hù) 不 容易遭受損傷 在受載過(guò)程中也難以產(chǎn)生裂紋 所以復(fù)合材料的承載能力增強(qiáng) 當(dāng)復(fù) 合材料受到較大應(yīng)力作用時(shí) 某些已經(jīng)產(chǎn)生裂紋的纖維可能斷裂 而塑性和韌性好的 金屬基體能夠阻止裂紋擴(kuò)展 纖維斷裂時(shí) 它們的斷f j 往往并不出現(xiàn)在同一平面上 這樣 要使復(fù)合材料斷裂 則必需將許多纖維從基體中拔出 需要克服基體對(duì)纖維的 粘結(jié)力 因而復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度得以顯著提高 復(fù)合材料的力學(xué)性能除與纖維和基體性能 纖維體積分?jǐn)?shù)有關(guān)外 還與纖維與基 體界面的結(jié)合強(qiáng)度 基體剪切強(qiáng)度和纖維排列 分布方式和斷裂形式有關(guān) 通常纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量和斷裂強(qiáng)度與各組分材料性能關(guān)系如下 o c k 盯 1 一 疋 k z 巧 瓦 1 一 式中 o c e c d 瓦 q e s 分別代表復(fù)合材料 基體和纖維強(qiáng)度和彈性 模量 是纖維的體積分?jǐn)?shù) k 足z 為常數(shù) 主要與界面強(qiáng)度有關(guān) 1 3 2 復(fù)合原則 對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 復(fù)合的目的是使材料具有最佳的強(qiáng)度 剛度和韌性等 為此 在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中 對(duì)增強(qiáng)纖維與基體材料都有一定的要求 搐 1 纖維是復(fù)合材料的主要承載組分 應(yīng)具有高強(qiáng)度 高模量 密度小和熱穩(wěn) 定性強(qiáng)等特點(diǎn) 2 基體材料起到粘結(jié)纖維的作用 所以 基體必須對(duì)纖維具有良好的浸潤(rùn)性 和必要的結(jié)合力 保護(hù)纖維表面 不引入裂紋和不發(fā)生損傷纖維表面的反應(yīng) 同時(shí)具 有一定的塑性和韌性 對(duì)裂紋有抑制或致偏作用 3 增強(qiáng)纖維與基體之間能夠形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面 適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合 強(qiáng)度不僅有利于提高材料的整體強(qiáng)度 更重要的是便于將基體所承受的載荷通過(guò)界面 傳遞給纖維 以充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用 若結(jié)合力低 界面很難傳遞載荷 不能發(fā)揮纖 維的增強(qiáng)作用 影響復(fù)合材料的整體強(qiáng)度i 但結(jié)合強(qiáng)度太高也不利 它遏制復(fù)合材料 在斷裂時(shí)纖維由基體中拔出而發(fā)生的能量吸收過(guò)程 降低強(qiáng)度并容易誘發(fā)危險(xiǎn)的脆性 斷裂 4 基體中增強(qiáng)纖維的含量 尺寸及分布必須適宜 5 纖維與基體的熱膨脹性能應(yīng)匹配 一般情況下 希望纖維與基體的熱膨脹 蘭州大學(xué)2 0 0 5 屆頌1 一學(xué)位論文 系數(shù)比較接近 為了獲得較佳的復(fù)合效果 除了在材料設(shè)計(jì)中遵循合理的復(fù)合原則外 在材料制 備中還要遵循下列原則 1 纖維加入和復(fù)合材料制備過(guò)程中 盡可能避免對(duì)纖維造成的機(jī)械損傷 2 纖維加入和壓制過(guò)程中盡量減少表面鍍層的剝落 3 力求實(shí)現(xiàn)纖維在基體中的均勻分布 1 4 碳纖維增強(qiáng)鎳銅基復(fù)合材料 1 4 1 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能 碳纖維f 1 9 2 0 1 是以碳元素組成的各種碳 石墨纖維的總稱 碳纖維有許多品種 有 不同的分類方法 按石墨化程度分為碳纖維和石墨纖維 般將在小于1 5 0 0 c 碳化 處理成的稱為碳纖維 將碳化處理后再經(jīng)高溫石墨化處理 2 5 0 0 左右 的碳纖維稱 為石墨纖維 碳纖維硬度高而石墨纖維模量商 目前公認(rèn)碳纖維是由二維亂層石墨微晶組成的 微晶沿纖維軸方向擇優(yōu)取向 圖 1 2 是碳纖維的外形及其結(jié)構(gòu)模型 2 l 按照這一模型 碳纖維的基本組成部分是由寬 約6 n m 長(zhǎng)大于l o o n m 的細(xì)小柬?xiàng)l狀晶粒所構(gòu)成的 它們從微觀上看呈波紋狀 但 從宏觀上看 則大體上與纖維軸向相平行 圖1 2 碳纖維的形狀 a 及其結(jié)構(gòu)模型 b c d f i g 1 2t h ef i g u r eo f c a r b o nf i b e r a a n di t ss t r u c t u r a lm o d e l b c d 碳纖維具有高比強(qiáng)度 高比模量 低密度 耐高溫 耐腐蝕 耐疲勞 抗蠕變 導(dǎo)電 傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能1 2 2 2 3 1 是一種重要的復(fù)合材料增強(qiáng)體 根據(jù)碳纖維的結(jié)構(gòu)和性能 可分為以下三類 其性能見(jiàn)表1 1 i 型碳纖維 具有高模量 其結(jié)晶方向平行于纖維軸的程度高 i i 型碳纖維 具有高模量 結(jié)晶方向定向程度低 i 型碳纖維 具有各向同性 結(jié)晶屬于自由位相 蘭州大學(xué)2 0 0 5 屆碩i 學(xué)位論文 表i 1 碳纖維的種類與性能 2 0 堡 壁望坐駕 1 2 型 竺 呈壘 曼 纖維類型 g 比 c m 重3 抗 g 張n 強(qiáng)i t i 度2 比強(qiáng)度 楊 g 式n 模 m 量2 比模量 碳纖維的化學(xué)性能和碳很相似 它除了能被強(qiáng)氧化劑氧化外 對(duì)一般的酸堿是 惰性的 在空氣中 溫度高于4 0 0 c f 于 則出現(xiàn)明顯的氧化 生成c o 和c 0 2 在不 接觸空氣和氧化氣氛時(shí) 碳纖維具有突出的耐熱性 碳纖維要在溫度高于1 5 0 0 c 時(shí) 強(qiáng)度才開(kāi)始下降 另外 碳纖維還有良好的耐低溫性能 如在液氮溫度下不脆化 它 還有耐油 抗輻射 抗放射 吸收有毒氣體和減速中子等特性口 l 4 2 鎳銅合金基體材料的性能 鎳基合金具有優(yōu)良的耐蝕性 而且強(qiáng)度高 塑性大 易于冷熱加工 是工業(yè)上 很好的耐蝕材料 2 5 2 7 j 常用的耐蝕臺(tái)金元素有c u c r m o f e m n 等 其中 c u 能提高鎳在還原性介質(zhì) 如非氧化性酸 中的耐蝕性 并使在高速流動(dòng)的充氣海水中 有均勻的鈍性 n i 和c u 可形成連續(xù)固溶體 當(dāng)合金中n i 的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于5 0 時(shí) 腐蝕性能 接近于c u 當(dāng)大于5 0 時(shí) 腐蝕性能接近于n i 鎳銅合金主要用于高溫并有載荷下 的耐蝕零件及設(shè)備 在化學(xué)和石化工業(yè)以及海洋開(kāi)發(fā)中 可以制各各種換熱設(shè)備 鍋 爐給水加熱器 石油和化工用管線 容器以及泵 閥 軸等 鎳銅合金是鎳基耐蝕合金中用量大 用途廣的一類 最著名的n i c u 合金是蒙乃 爾 m o n e l 合金 約含7 0 n i 和3 0 c u 理論密度8 9g c m 3 熔點(diǎn)為1 3 0 0 m 3 8 0 它兼有n i 和c u 的許多優(yōu)點(diǎn) 強(qiáng)度高 塑性好 在還原性介質(zhì)中較純n i 耐蝕 在氧 化性介質(zhì)中較純c u 耐蝕 一般對(duì)鹵素元索 中性水溶液 一定溫度和濃度的苛性堿 溶液以及中等溫度的稀鹽酸 硫酸 磷酸等都是耐蝕性的 它是除鉑 銀外最好的耐 氫氟酸腐蝕的金屬材料之一 在高溫下有良好的抗氧化能力 4 0 0 c 以下不改變機(jī)械 性能 成為電器工業(yè) 海輪制造業(yè)和醫(yī)療器械制造業(yè)中的重要材料弘 1 4 3 碳纖維與基體合金間的相容性及界面控制 基體與增強(qiáng)材料間的相互作用 界面的性質(zhì)和完善程度對(duì)材料的力學(xué)性能和其它 性能有著重要的影響 有時(shí) 也可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)促進(jìn)基體與增強(qiáng)材料之間的結(jié)合 在金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中 基體和增強(qiáng)材料是在高溫下復(fù)合 因而會(huì)不可避免地 發(fā)生不同程度的化學(xué)反應(yīng) 在選擇復(fù)合體系時(shí)瘟充分考慮原材料的性能和它們