碳纖維增強鋁基復(fù)合材料

1、關(guān)于碳纖維增強鋁基復(fù)合材料第一張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1 概述2 CfAl復(fù)合材料的顯微組織3 CfAl復(fù)合材料的性能4 CfAl復(fù)合材料的制造工藝5 CfAl復(fù)合材料的界面研究6 發(fā)展趨勢和展望介紹內(nèi)容第二張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1 概述 目前，金屬基復(fù)合材料(MMCs) 的基體主要發(fā)展了有鋁基、鎂基、鈦基、高溫合金基、銅基等類型，由于鋁合金具有斷裂韌性高、高強度、優(yōu)良的抗腐蝕性、低密度等良好的綜合性能，使得鋁合金在復(fù)合材料的發(fā)展中倍受青睞。因此鋁基發(fā)展最快并成為當(dāng)前金屬基復(fù)合材料發(fā)展和研究工作的主流。其主要應(yīng)用領(lǐng)域一是航空、航天和軍事領(lǐng)域，二是汽車、電子信息

2、和高速機械等民用領(lǐng)域。 電子封裝用鋁基復(fù)合材料 高強鋁基復(fù)合材料電纜橋架第三張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1 概述 鋁基復(fù)合材料增強用的纖維有硼纖維、碳化硅纖維、碳纖維及金屬絲纖維等。 其中Cf/Al復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度、低熱膨脹、良好的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能，倍受航空航天部門的關(guān)注。國外已有其在衛(wèi)星波導(dǎo)管、天線骨架、衛(wèi)星桁架等對重量、強度、剛度要求很高的航天、航空部件應(yīng)用的報導(dǎo)。 特別是近幾年來, 伴隨著高性能碳纖維的出現(xiàn)，以及因產(chǎn)量擴大而成本的降低，碳纖維鋁基復(fù)合材料的研究受到廣泛重視。第四張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2 CfAl復(fù)合材料的顯微組織（a）徑向

3、平面為100的圖片 （b）軸向平面為1000的圖片擠壓鑄造法制造的Cf/Al復(fù)合材料在光學(xué)顯微鏡下的金相照片上圖表明： 碳纖維在鋁基中分布均勻，材料組織均勻致密，沒有滲透氣孔殘留的跡象。 顯微組織圖還顯示了預(yù)成型纖維之間優(yōu)良纖維的長度和直徑，纖維直徑大約10微米。 這種組織特點將使纖維均勻承載，同時基體會將載荷有效地傳遞給纖維，從而得到較理想的性能。第五張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 SEM斷口形貌分析A. 鋁基合金斷口韌窩細(xì)密，顯示了合金的良好塑性；B. 碳纖維和鋁基合金牢固地結(jié)合在一起，顯示了合金的良好潤濕性。2 CfAl復(fù)合材料的顯微組織第六張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年

4、6月3 性能-力學(xué)性能 Cf/Al復(fù)合材料是一種輕質(zhì)高強的材料。采用壓力浸滲法制備的Cf/Al復(fù)合材料的密度為2.12.2g/cm3 ，比鈦合金輕一倍。而高強度是Cf/Al復(fù)合材料的最重要的性能特點之一。 左圖列出了Cf/Al復(fù)合材料與其他傳統(tǒng)材料的比強度和比模量的對比。可見， Cf/Al的比強度最高，是鋼的6倍，為鈦合金和鋁合金的335倍。比模量是鋼、鋁合金和鈦合金的3倍以上，而與其它復(fù)合材料相比也要高出1倍以上。Cf/Al復(fù)合材料這種優(yōu)異的輕質(zhì)高強的材料特性為航天結(jié)構(gòu)輕量化、高精度提供重要的技術(shù)保障。第七張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3 性能-尺寸穩(wěn)定性 上圖為用冷熱沖擊法對Cf

5、/Al進(jìn)行檢測后的試驗結(jié)果，可以看出：隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加，尺寸變化趨于恒值，說明Cf/Al復(fù)合材料具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。第八張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3 性能-空間環(huán)境耐候性 若Cf/Al復(fù)合材料應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，那復(fù)合材料無可避免的要在空間飛行中經(jīng)受如超高真空度、高低溫交變沖擊、帶電粒子照、紫外輻照等環(huán)境的損傷，開展空間環(huán)境條件對復(fù)合材料性能影響的分析對航天結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)異性能具有十分重要的現(xiàn)實意義。第九張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3 性能-空間環(huán)境耐候性 通過對Cf/Al復(fù)合材料的在帶電粒子輻照條件下的行為進(jìn)行研究， 發(fā)現(xiàn)Cf/Al復(fù)合材料在

6、空間條件下，性能穩(wěn)定。上圖為對復(fù)合材料帶電粒子輻照前后的性能對比，發(fā)現(xiàn)輻照后的材料性能變化很小，在測試誤差之內(nèi)。A 帶電粒子輻照條件下的材料行為第十張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3 性能-空間環(huán)境耐候性 在低軌道中，由于地球自轉(zhuǎn)，航天器不斷經(jīng)受太陽直射和處于太陽陰影里，對航天器造成冷熱交變的環(huán)境。對Cf/Al復(fù)合材料分別在-40，20和100溫度下拉伸強度和彈性模量進(jìn)行了測試，結(jié)果如下表，試驗證明，復(fù)合材料的性能在-40到100溫度范圍內(nèi)變化不大，強度變化范圍在5以內(nèi)，彈性模量變化范圍在3以內(nèi)。B 高低溫環(huán)境下的材料強度 第十一張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4 制造工藝 碳

7、纖維增強鋁合金的制造方法有三種，分別是固相法、粉末冶金法和擠壓鑄造法。粉末冶金法 粉末冶金法是預(yù)先將短纖維與基體粉末制成淤漿狀并加以混合, 而后經(jīng)成型干燥熱壓,制成纖維增強金屬。擴散結(jié)合, 熱壓法( 固相法) 在擴散結(jié)合法中, 通過纖維前處理首先制作中間原料,然后將這些中間原料重疊起來, 在真空中加熱, 可得纖維增強金屬, 該方法利用了金屬的塑性變形和自身擴散作用, 可得質(zhì)量較好的碳纖維增強鋁合金復(fù)合材料。第十二張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4 制造工藝 擠壓鑄造 擠壓鑄造, 將纖維的預(yù)成型體放入金屬模中, 適當(dāng)加熱, 加壓浸入熔化的基體金屬, 在高壓下令其凝固, 從而得到形狀復(fù)雜的

8、復(fù)合材料, 此法周期短, 能制造纖維增強金屬的機械零件, 生產(chǎn)效率很高。在此法中, 金屬熔化, 如溫度條件選擇不妥, 熔化的基體金屬有時會損傷纖維。 擠壓鑄造法在三種方法中是一種最具有發(fā)展?jié)摿Φ墓に嚪椒āD壓鑄造裝置圖第十三張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4 制造工藝 雖然液態(tài)法制造工藝簡單、成本低，但也存在一些問題：A、目前所采用的壓力都很高，一般為3100MPa， 許多研究者針對高壓鑄造易損傷碳纖維的缺點, 傾向于低壓鑄造。B、當(dāng)采用液體滲入工藝時, 只有在超過1000以上時, 鋁才能潤濕碳纖維, 但在此溫度下由于碳纖維與鋁基體反應(yīng)生成Al4C3化合物, 破壞了碳纖維的性能, 從而

9、引起了復(fù)合材料性能的下降。解決這一問題最一般的方法是用鍍涂及氣相沉積技術(shù)在碳纖維表面涂層, 涂層的主要目的是阻止纖維與基體間的反應(yīng), 同時提高潤濕性。第十四張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5 界面研究 A金屬涂層對界面的影響 纖維和基體之間的界面粘結(jié)性是提高纖維增強復(fù)合材料性能的關(guān)鍵之一。 在使用金屬涂層時, 除使涂層既能阻止纖維與基體的反應(yīng), 又能提高潤濕性外, 還應(yīng)使界面有一定的結(jié)合力, 以便能有效地傳遞載荷。鎳涂層的影響 鎳涂層雖然可以改善鋁對碳纖維表面的潤濕性, 但由于鎳易促進(jìn)碳纖維的石墨化及NiAl3 脆性相的形成, 作為單涂層時, 它并不是理想的涂層。Ni一種白色金屬 鎳涂

10、層碳纖維第十五張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5 界面研究 銅涂層的研究 銅與碳纖維有良好的相容性，可以作為碳纖維良好潤濕性的金屬鍍層。鍍銅碳纖維的高溫強度較好。另外，用X 射線衍射對經(jīng)900熱擴散30min 后的C/ Cu 復(fù)合絲進(jìn)行研究, 結(jié)果表明C/ Cu 界面既無化學(xué)反應(yīng), 亦無擴散反應(yīng), C/ Cu 界面是一種以機械結(jié)合為主的物理結(jié)合。用鍍Cu 方法獲得的復(fù)合材料的彎曲強度幾乎達(dá)到了鍍Ni的兩倍。因此, Cu 涂層更適合于制造碳纖維增強鋁合金復(fù)合材料。 化學(xué)鍍銅后碳纖維表面形態(tài) 電鍍銅后碳纖維表面形態(tài)第十六張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5 界面研究 B 非金屬涂層

11、為了提高碳纖維與鋁的潤濕性及有效地阻止碳與鋁之間的關(guān)系, 人們對多種非金屬涂層做了大量研究。 其中較為成功的涂層是Ti-B 涂層 , 這種涂層對液態(tài)鋁有很好的潤濕性, 但它不能有效的阻止碳纖維和鋁之間的反應(yīng), 而且整個過程必須惰性氣氛中進(jìn)行。 而陶瓷涂層雖然能夠阻擋碳纖維與鋁之間的反應(yīng), 但不能有效地改善碳纖維和鋁的潤濕性。第十七張，PPT共十九頁，創(chuàng)作于2022年6月6 發(fā)展趨勢與展望 從涂層方面看, 需繼續(xù)尋找更合適的涂層, 這種涂層不但能有效的阻擋鋁合金與碳纖維之間的反應(yīng), 能更好的被鋁合金潤濕以外, 還應(yīng)有較為簡潔的制取工藝, 以利于制造。 從制造工藝方面看, 低壓鑄造是發(fā)展方向。只要能很好的解決涂層問題, 利用低壓鑄造來制造碳纖維增強鋁合金復(fù)合材料, 可以獲得高質(zhì)量的復(fù)合材料, 而且工藝簡單, 具有批量生產(chǎn)的可行性。 可以