連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)

1、連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)界面結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（Cf/Al）具有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越特性，受到軍用、民用及一般工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注1，2。同時，這些優(yōu)越的特性使得Cf/Al可以作為潛在的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，進(jìn)一步擴(kuò)大其在汽車和航空、航天等高端領(lǐng)域應(yīng)用3，4。目前碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法主要有熱壓滲透，擠壓鑄造，金屬濺射等工藝5，6，7。然而，Cf/Al復(fù)合材料的發(fā)展一直受到碳纖維表面潤濕性差、易于同某些鋁合金發(fā)生反應(yīng)等因素的限制8。在制備或使用過程中如果碳纖維不能完全被金屬基體浸潤或碳纖維同金屬基體間產(chǎn)生過度的化學(xué)反應(yīng)等均會降低復(fù)合材料的力學(xué)性能

2、。液態(tài)方法制備Cf/Al復(fù)合材料的過程中，碳纖維-鋁基體界面的反應(yīng)是影響Cf/Al強(qiáng)度的關(guān)鍵因素9，也是很多研究關(guān)注的重點(diǎn)10，因?yàn)榻缑媸怯绊戄d荷在基體和纖維之間傳遞的關(guān)鍵因素，尤其是Al4C3脆性相的形成會直接影響碳纖維的強(qiáng)度。但是，與其他成型方法相比，液態(tài)成型法有其特有的優(yōu)勢，如生產(chǎn)率高，成本低，可以生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品等。盡管關(guān)于Cf/Al復(fù)合材料的報道很多，但多數(shù)集中在短纖維作為增強(qiáng)相的研究11，即使連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究也主要關(guān)注材料的制備，力學(xué)性能，斷裂行為等12，13，卻很少有研究關(guān)注合金基體對復(fù)合材料性能的影響。因此，本文從基體的角度討論合金對于擠壓鑄造法制得的Cf/Al

3、復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。1試驗(yàn)情況試驗(yàn)用金屬基體為Al-Cu合金，其化學(xué)組成及含量見表1。纖維為T-300連續(xù)碳纖維，單絲直徑約7以m（見圖1a）。復(fù)合材料中纖維的體積含量為50%。擠壓鑄造設(shè)備為YA32-200A液壓機(jī)，最大壓力2000Kz擠壓鑄造的工藝參數(shù)為：鋁合金的鑄造溫度為730；澆鑄前模具預(yù)熱溫度550；鑄造壓力100MPa；保壓時間2分鐘。為研究復(fù)合材料的界面特性，同時對碳纖維表面進(jìn)行鍍Ni處理（圖1b）,并采用同樣的工藝流程制備了鍍Ni連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的研究選用HitachiS-4700掃描電鏡。材料相結(jié)構(gòu)的確定使用RigakuD-max-rBX射線儀

4、，波長為0.15418nm,銅靶。表1基體鋁合金的成分及含量圖1.纖維表面形貌（SEM）（a）原始的纖維表面形貌；（b）鍍Ni后的纖維表面形貌2結(jié)果及討論圖2a所示為鋁合金基體的微觀結(jié)構(gòu)，深入觀察發(fā)現(xiàn)Al晶粒比較粗大（約100-300以或同時伴隨有共品結(jié)構(gòu)（灰白色相）存在。EDS分析表明灰白色相為Al2Cu（Al:Cu=67.3:32.7）,這一結(jié)論同XRD析結(jié)果相吻合（圖2b）,即合金基體由Al和圖2.（a）鋁合金基體的微觀結(jié)構(gòu)：A-共晶結(jié)構(gòu)，B-Al基體,C-富Ti、V區(qū)域；（b）鋁合金基體的XRDS譜。圖3.Cf/Al復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)。碳纖維表面的Al2Cu相清晰可見（白色相）；（b）C

5、f/Al復(fù)合材料的XR防析。（c）纖維表面鍍Ni處理的Cf/Al復(fù)合材料的ED瞰掃描分析。白色直線表示掃描軌跡；紅色曲線代表C;綠色曲線代表Al;深藍(lán)色曲線代表Ni；淺藍(lán)色曲線代表Cu；（d）纖維表面鍍Ni處理的Cf/Al復(fù)合材料的XRD析結(jié)果。圖3a所示為擠壓鑄造Cf/Al復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。其中Al基體呈現(xiàn)灰色，纖維呈現(xiàn)黑色。ED陰析表明在碳纖維和Al基體之間的灰白相為Al2Cu,這一結(jié)果同樣得到了XR防析結(jié)果的確認(rèn)（圖3b）,其中在26°附近的較寬峰為Co之前的研究發(fā)現(xiàn)，Al-Cu合金在固化過程中，Al在相對較高的溫度固化，低熔點(diǎn)的共晶相在Al晶粒之間后固化15，16，17，而

6、從本文的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)Al2Cu相優(yōu)先在碳纖維表面形成，因此，共晶結(jié)構(gòu)在纖維周圍的基體內(nèi)部受到了抑制或消除。同時，在該樣品中沒有發(fā)現(xiàn)Al4C3脆性相的形成。圖3c所示為擠壓鑄造的鍍Ni碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。Ni（白色相）圍繞纖維（黑色橢圓截面）周圍析出，而Al2Cu相（灰白色相）則圍繞在Ni的周圍。有趣的是鍍Ni和未鍍Ni處理的碳纖維制得的復(fù)合材料具有相似的微觀結(jié)構(gòu)，即Al2Cu 相圍繞纖維四周形成， 基體內(nèi)部共晶結(jié)構(gòu)受到抑制或消除。ED戮掃描表明了Ni和Al2Cu的存在。但是與未鍍Ni處理的Cf/Al復(fù)合材料相比，在鍍Ni的Cf/Al復(fù)合材料中Ni層和Al溶液在固化時發(fā)生反應(yīng)生成了

7、NiAl3相（圖3d）。同樣，在鍍Ni的Cf/Al復(fù)合材料中同樣沒有發(fā)現(xiàn)形成Al4C3相，纖維和Al之間的反應(yīng)得到了保護(hù)。圖4.（a）Al合金基體的斷口形貌；（b）Cf/Al復(fù)合材料斷口形貌。圖4a為Al合金基體的拉伸試驗(yàn)斷口形貌，其主要特征表現(xiàn)為大量截面不平整的韌窩和少量光滑斷面，這說明基體材料拉伸破壞主要以韌性斷裂為主。然而由于受到界面相的影響，Cf/Al復(fù)合材料斷口形貌明顯不同于基體合金，脆性斷裂占比增大。同時從斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，由于沒有Al4C3脆性相的形成，纖維和基體的界面結(jié)合良好，這為復(fù)合材料力學(xué)性能的提高提供了有力保障。從以上試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳纖維的引入明顯改變了基體鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)。纖維周圍基體中共晶相的形成受到了抑制或消除。無論纖維表面是否進(jìn)行了鍍Ni處理，Al2Cu相均圍繞纖維四周形成，這表明在固化過程中，纖維表面為Al2Cu相提供了形核條件。類似的現(xiàn)象也在其他的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)9，10。基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，從復(fù)合材料界面和性能的角度考慮，控制基體合金的組分及其相結(jié)構(gòu)也很關(guān)鍵。3結(jié)語通過對擠壓鑄造制備的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究表明，通過合理的控制擠壓鑄造工藝參數(shù)，可以控制脆