連續(xù)纖維預(yù)制型中金屬液的橫向補(bǔ)縮

連續(xù)纖維預(yù)制型中金屬液的橫向補(bǔ)縮

硬化過程是鑄造法制備金屬基復(fù)合材料的最后過程。對(duì)建筑材料的性能有重要影響。對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究表明,凝固組織強(qiáng)烈依賴于纖維的分布,縮孔均位于纖維間距較大的區(qū)域。由于連續(xù)纖維的存在,復(fù)合材料縮孔、偏析等缺陷比單一基體明顯減少,而縮松成為復(fù)合材料的主要凝固缺陷。凝固補(bǔ)縮成為減少縮松及改善復(fù)合材料性能的重要途徑。碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已成功用于航空航天領(lǐng)域,在高性能電子封裝和熱控制方面具有較好的應(yīng)用前景。本課題在分析金屬液在連續(xù)纖維預(yù)制型中橫向補(bǔ)縮的基礎(chǔ)上,對(duì)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的橫向補(bǔ)縮進(jìn)行了試驗(yàn)研究。1束內(nèi)金屬液的凝固時(shí)間當(dāng)金屬液在連續(xù)纖維預(yù)制型中凝固時(shí),傳統(tǒng)的金屬補(bǔ)縮通道已不存在。對(duì)于100mm長(zhǎng)的連續(xù)纖維,由于纖維束的直徑約為1mm,因此一束纖維縱向與橫向尺寸的比值約為100∶1。如果凝固補(bǔ)縮從纖維束間向纖維束內(nèi)進(jìn)行橫向補(bǔ)縮,那么補(bǔ)縮距離比依靠纖維束內(nèi)進(jìn)行縱向補(bǔ)縮時(shí)小得多,因此補(bǔ)縮效果比縱向補(bǔ)縮好。橫向凝固補(bǔ)縮模型可近似用圖1表示。圖1中r和R分別為纖維束半徑和參與橫向補(bǔ)縮的束間金屬液半徑,L為纖維束的長(zhǎng)度。忽略金屬液沿纖維縱向散熱,該纖維束內(nèi)金屬液的凝固時(shí)間可根據(jù)契爾文諾夫定律進(jìn)行分析。對(duì)于給定纖維體積、金屬和纖維溫度時(shí),C為常數(shù),tf為凝固時(shí)間,Vc為束內(nèi)金屬體積,當(dāng)束內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)為φf時(shí),可用下式表示:Ac為束內(nèi)所有纖維與金屬液接觸的表面積,其值用式(3)計(jì)算:其中rf和n分別為單根纖維的半徑和束內(nèi)纖維的根數(shù)。同樣,對(duì)于束間參與補(bǔ)縮的金屬液,其凝固時(shí)間也可表示為:其中Ar為束間金屬液與束表面纖維外表面接觸的面積,其值為束表面纖維根數(shù)與單根纖維表面面積之半的乘積:Vrf為束間進(jìn)行補(bǔ)縮所需的金屬液體積,若凝固收縮率為β,則有以下關(guān)系式:當(dāng)束內(nèi)的金屬液和束間參與補(bǔ)縮的金屬液同時(shí)凝固結(jié)束時(shí),整理式(1),(4)和(6)得:式中Vr為束間參與補(bǔ)縮金屬液的體積,用下式表示:將式(2)、(3)、(5)和(8)代入式(7)求解得:束半徑r等于沿半徑方向纖維數(shù)與纖維間距的乘積,若纖維按正方排列,則:由于L0=2(R-r),將式(9)和(10)代入得:束內(nèi)纖維之間的距離為:將碳纖維半徑r=3.5μm,束內(nèi)纖維根數(shù)n=3000和鋁的凝固收縮率β=6.6%代入式(11)和(12)得出不同纖維體積分?jǐn)?shù)的纖維間距離、纖維束間距離及其比值,見表1?？梢?隨纖維體積分?jǐn)?shù)增加,橫向補(bǔ)縮所需纖維束間距離也要增大。由于纖維體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)纖維之間的距離明顯縮小,因此纖維束間距離與束內(nèi)纖維距離的比值增加很快。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí),比值高達(dá)15以上。2纖維浸滲試驗(yàn)用超聲法將尺寸為3～5μm的SiC顆?；祀s入碳纖維束中,混雜好的連續(xù)碳纖維按預(yù)定體積分?jǐn)?shù)放入模具中進(jìn)行定向排布,模具內(nèi)腔尺寸為120mm×20mm×3mm,試樣的纖維排布方向平行于液態(tài)金屬由下向上的浸滲方向。采用氣壓浸滲技術(shù)進(jìn)行浸滲試驗(yàn)。鋁合金為6061Al。兩根0.1mm熱電偶預(yù)先埋入預(yù)制型中,采用YEW型X-Y記錄儀測(cè)量溫度-時(shí)間變化曲線,依據(jù)曲線確定溫度梯度和凝固速率。纖維預(yù)制型先抽真空,真空度為0.09MPa。預(yù)制型與鋁液溫度分別達(dá)700℃和750℃時(shí),在氣壓下將鋁液浸滲入預(yù)制型。調(diào)節(jié)壓力使浸滲速率約為10mm/s,保壓10s。試樣冷卻速度為10℃/s,通過冷卻空氣控制。試樣冷卻至400℃取出,經(jīng)切割、磨平后進(jìn)行拋光。用稱重法測(cè)空隙率。3凝固條件對(duì)縮松的影響對(duì)于無混雜體的C/Al非潤(rùn)濕體系,纖維互相接觸的數(shù)量在50%以上,有效的補(bǔ)縮通道大大減少,因此即使纖維束間距滿足方程式(11),復(fù)合材料產(chǎn)生的縮松缺陷仍比較嚴(yán)重。將SiC顆?；祀s入碳纖維束可有效減少纖維接觸的數(shù)量,形成有效的補(bǔ)縮通道,從而減少縮松缺陷。圖2為溫度梯度和凝固壓力對(duì)凝固補(bǔ)縮的影響。圖2a和圖2c中SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為1%,圖2b和圖2d為3%,可見后者纖維的分布較均勻。鋁合金液在1MPa壓力下浸滲碳纖維/SiC顆?；祀s預(yù)制型后,在無壓下凝固,雖然纖維束間距較大,但縮松缺陷明顯多于在1MPa壓力下凝固的縮松缺陷,這主要是纖維的存在大大減少了補(bǔ)縮通道,因此除了滿足方程式(11)外,在壓力下凝固才可有效減少縮松缺陷。當(dāng)纖維分布不均時(shí),如果由于纖維間距的不均勻造成補(bǔ)縮通道堵塞,那么即使在合理的凝固條件下也難以避免產(chǎn)生縮松。因此減少縮松的重要途徑就是通過混雜使纖維間距分布均勻以及使纖維定向性好。但是并不是纖維分布均勻就可消除縮松缺陷。圖2表明,溫度梯度較小時(shí),縮松分布范圍較大,這與金屬材料的凝固規(guī)律一致。因此為了減少縮松,除了有補(bǔ)縮通道并在壓力下凝固外,還要保證一定的溫度梯度和凝固速率。當(dāng)纖維分布均勻時(shí),通過調(diào)節(jié)溫度梯度和凝固速率,測(cè)定給定纖維體積分?jǐn)?shù)下試樣的空隙率,根據(jù)空隙率可以確定是否出現(xiàn)縮松。在固定的浸滲條件和不出現(xiàn)縮松的情況下,由于浸滲造成纖維相互接觸等產(chǎn)生的空隙率比較穩(wěn)定,對(duì)于纖維體積分?jǐn)?shù)為40%,50%和60%的復(fù)合材料,平均空隙率分別為0.6%,0.5%和0.4%。因此如果復(fù)合材料空隙率大于該值,則認(rèn)為產(chǎn)生縮松。由此即可確定形成縮松的臨界條件。圖3為復(fù)合材料溫度梯度與凝固速率平方根的關(guān)系曲線。臨界線下方是縮松區(qū),即當(dāng)復(fù)合材料在凝固過程中GR-0.5的組合處于縮松區(qū)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生縮松,處于臨界線上方時(shí)將可避免產(chǎn)生縮松。對(duì)于不同的纖維體積分?jǐn)?shù),臨界線的斜率不同。對(duì)應(yīng)纖維體積分?jǐn)?shù)40%,50%和60%的GR-0.5臨界值分別為24±1.6,29±0.7和36±2.3。如果浸滲條件超出試驗(yàn)范圍,如纖維溫度低于600℃,那么這些臨界值及其偏差將會(huì)增大。纖維束間的熔體量遠(yuǎn)比纖維束內(nèi)纖維間的熔體量大,而且前者溫度更高,形成從束間向束內(nèi)的補(bǔ)縮順序。但是只有溫度梯度是不夠的,隨著凝固從纖維束內(nèi)中心向束表面推移,以及由于金屬的導(dǎo)熱比纖維更快而在束間中心開始凝固,在較快的凝固速率下,處于束內(nèi)與束間交界的熔體最后凝固,由于無液態(tài)金屬補(bǔ)縮而在纖維間產(chǎn)生縮松。如果鄰近束表面的纖維間距較大,那么最后凝固部位會(huì)向束內(nèi)推移。消除這種縮松的一個(gè)途徑是除了有補(bǔ)縮通道外,還要保證束間最后凝固,并在壓力下補(bǔ)縮存在較大補(bǔ)縮通道的束間。4纖維截面位置對(duì)補(bǔ)縮性能的影響(1)提出了熔體在連續(xù)纖維預(yù)制型中的橫向補(bǔ)縮模型,依據(jù)契爾文諾夫定律推導(dǎo)出橫向補(bǔ)縮時(shí)纖維束間距離與纖維幾何形態(tài)、基體凝固收縮率和纖維體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系式。隨纖維體積分?jǐn)?shù)增加,橫向補(bǔ)縮所需纖維束間距離要增大。(2)縮松主要位于纖維分布不均且難以補(bǔ)縮之處。消除縮松的關(guān)鍵是控制纖維在基體中均勻分布及凝固條件。如果由于纖維間距的不均勻造成