碳纤维增强铝基复合材料

碳纤维/铝复合材料A、选择铝基复合材料的缘由;B、增强体碳纤维和基体铝；C、C/Al复合材料的主要性能；D、C/Al复合材料的界面；E、铝基复合材料的制备。主要内容选择铝基复合材料的缘由在金属基复合材料中,铝基复合材料具有比基体更高的比强度、比模量、低的热膨胀系数和高的导热系数,尤其是弥散增强的铝基复合材料,不仅具有各向同性特征,而且具有可加工和价格低廉的优点。铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体,以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星和空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统和汽车零部件;此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器和电子封装器件等。碳纤维碳纤维是一种高强度、高模量材料，其可用粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯纤维，经过拉丝、牵伸、稳定、碳化、石墨化来制造。主要性能:1)强度高，抗拉强度在1600兆帕以上。2）模量高，在230GPa以上。3）密度小，比强度高，密度为钢的1/4，为铝的1/2，比强度为钢的17倍，为铝合金的13倍。4）耐高温性能好，在非氧化气氛下，可在2000℃下使用。5）耐低温性能好，在-180℃低温下，钢变得比玻璃还脆，不过碳纤维还是柔软如初。6）耐酸性能好。7）热膨胀系数小，热导率大，可以耐急冷急热，而不炸裂。8）防原子辐射，使中子减速。9）导电性能好。10）轴向抗剪切模量低，断后延伸率小耐冲击差，并且后加工困难。前九项可谓优点，最后一项可谓缺点。铝及铝合金从应用条件角度而言：在航天、航空技术中高比强度、高比模量、高导热率、低膨胀系数、尺寸稳定性是重要的性能要求。作为飞行器和卫星构件应选用密度小的轻合金，比如铝合金。当它和高强度、高模量的碳纤维、硼纤维复合后就可以满足航天航空苛刻的要求。从制备角度而言：铝合金的熔炼、浇注工艺成熟完善，而且铝合金铸造性能好，有利于液态法制备铝基复合材料，这也是铝基复合材料使用及生产规模较大的缘由。C/Al复合材料的性能碳纤维增强铝基复合材料常规力学性能密度远低于钛合金与钢铁——复合材料vs基体vs增强体/215~355201/305505668.91246061弹性模量/GPa极限抗拉强度/MPa种类414~5522100~2800粘胶碳纤维3791600沥青碳纤维2303500聚丙烯晴碳纤维弹性模量/GPa抗拉强度/MPa种类铝合金碳纤维可见，复合材料具有高强度和高模量，其密度小于铝合金，弹性模量却比铝合金高出2~4倍，故可以用于要求质量轻、刚性好的结构件。铝合金和铝基复合材料的高温性能在纤维增强铝基复合材料中，纤维是主要载体，而纤维可在高温下保持高的强度和弹性模量，故此种复合材料的强度和模量可以保持到高温，这对航空航天构件、发动机零件是有利的。C/Al复合材料的界面金属基复合材料的界面（物化方面）金属基复合材料制备是在高温下进行的，基体与增强体的界面反应：溶解、扩散、元素偏聚等在所难免。而界面对于复合材料的性能影响十分重要，因为界面对残余应力分布、断裂过程有重要影响。v界面反应v界面特性对材料性能的影响v界面优化及控制界面反应界面反应1、界面反应的结果1）促进增强体与界面的浸润；2）产生界面反应物——脆性相；3）造成增强体损伤和基体成分的改变。结果逐渐严重SiCp/Al(SiCp+SiCw)/AlSiC表面的SiO2继续参与反应如：界面反应生成的脆性相TEM图C/AlSiCp/Al界面反应生成的脆性相TEM图(SiCp+SiCw)/Al严重界面反应后对碳纤维的损伤2、界面反应程度对形成合适界面结构和性能的影响第一类——有利于基体与增强体浸润、复合和形成最佳界面结合。第二类——有界面反应，增强体虽有损伤但性能不下降。第三类——严重界面反应，造成增强体严重损伤和基体成分改变。界面特性对性能的影响1、增强体类型与界面结合强度的关系对于连续纤维需要中等强度的界面结合即可，这样对于应力分布，载荷传递，防止脆断有利；而对于颗粒和晶须增强，基体是主要承载体，所以界面强结合对其有利。2、界面结构对微区性能的影响由于增强体与基体间物理性能差别较大，经过复合后，材料内部会有组织和应力分布的不连续，引起残余应变和微区特性的不均匀分布。附：要求R与M的热膨胀系数相匹配，若M韧性较强，热膨胀系数较大，复合后，使R受拉应力；若R呈脆性，热膨胀系数较大，复合后，使R受压应力。可见尖端处有位错集中，造成应力集中，应力集中程度为远离尖端处的四倍。SiCp/Al复合材料尖角颗粒尖端附近组织和应力分布3、界面结构性能对复合材料性能的影响结合界面强度和界面脆性相及界面区的微结构对材料的性能有重要影响。弱界面结合易造成界面在较低应力作用下即发生脱粘，难以有效地传递载荷、纤维的性能未发挥；强界面结合，复合材料呈脆性断裂，界面未起到调节应力分布作用，局部应力集中易造成复合材料的低应力破坏；适中的界面结合是最佳的，但是也要结合增强体的类型，具体问题具体分析。界面区存在脆性相析出对材料性能也有重要影响，若脆性相在两根纤维间析出，十分容易造成复合材料的脆性断裂（架桥模型）。界面优化及控制界面反应的途径1、增强体表面改性；2、基体合金化；3、优化制备工艺参数。就C/Al界面而言，其热力学相容性问题是界面反应生成脆性相Al4C3，使界面结合过强，而对复合材料性能不利。就C/Al界面动力学特点而言：纤维石墨化程度越高，作用温度也越高，未经石墨化处理的纤维则在较低温度下便与基体反应，且温度越高反应速率越大。纤维种类温度与反应产物、强度关系a)Al4C3的量与温度关系b)抗拉强度与温度的关系由于C/Al复合材料的制备温度高于500℃（主要指液态制备法，而且制备温度在700℃左右），所以界面反应是不可避免的。案例分析——短碳纤维增强铝基复合材料实验内容：纤维表面改性——通过化学镀再电镀的方法,在碳纤维表面镀上Cu镀层,制备C/Cu复合丝。制备工艺——在硼酸的保护下,利用非真空条件下的液态机械搅拌法制备短碳纤维增强铝基复合材料。材料性能测试及分析——研究了碳纤维在复合材料中的分散程度,铜镀层存在状态及C/Al复合材料的拉伸性能.实验目的——研究改善或减轻C/Al界面反应和增强体含量及分布，对复合材料性能的影响。本实验使用碳纤维物理参数辽宁安科活性炭纤维应用技术开发公司生产的PAN碳纤维,每束12000根。化学镀及电镀液配方略减轻C/Al界面反应的机理（镀铜的目的）铜与铝可以形成固溶体或金属间化合物，在C/Al复合材料制备中，可以减轻甚至阻止C/Al界面反应生成Al4C3（Al4C3是个脆性相，对材料的力学性能产生不利影响），而且铜作为过渡层，使组织和性能产生过渡变化。注：铜铝生成金属间化合物对界面也是不利的。经过化学镀与电镀后碳纤维表面形貌是复合镀哦！C/Al复合材料制备过程中防氧化处理由于C/Al复合材料的制备是在700℃的高温条件下进行的,C/Cu复合丝上的铜镀层在加入铝液中的瞬间就会被氧化成黑色的CuO。2Cu+O2——2CuO而CuO与Al不润湿,且与碳纤维结合力变差,因而,碳纤维在铝液中的分散性和均匀性变差,根本得不到合格的C/Al复合材料.所以,必须对C/Cu复合丝进行防氧化处理:将制备好的短C/Cu复合丝放入1.0%~1.5%的硼酸水溶液中浸泡1min,取出,于真空干燥箱中烘干,使其外表面包覆一层硼酸.检验抗氧化处理抗氧化机理:外表包覆H3BO3的C/Cu复合丝在加入到铝液的过程中,首先是H3BO3与O2接触,当温度较高时,H3BO3分解成熔融态的B2O3包覆在复合丝表面保护Cu不被氧化。XRD实验验证结果：由图可知，复合材料中除了基体铝外,还出现了Cu-Al合金相,但未检测到CuO、Al2O3、Cu的存在,说明铜与铝发生了反应，生成了合金，H3BO3确实起到了保护作用,大大降低了铜的氧化程度。力学性能测试——抗拉强度Sample1:10%碳纤维+0.5%硼酸+铝试样.Sample2:0.5%硼酸+铝试样.Sample3:纯铝试样.ComparisonoftensilestrengthandmaximumforceforthreesamplesEffectofsamplecomponentonmechanicalproperties由前表和上图可知：经过硼酸抗氧化处理后，抗拉强度较基体上升近一倍，但断裂延伸率大大减小。表明使用硼酸抗氧化处理使界面结合改善，使增强体发挥应有作用，但也导致了塑性大大降低。上图表明：碳纤维体积百分数小于14%的情况下，抗拉强度与碳纤维的体积百分数有较好的线性关系。这也表明：混合定律在这种情况下是适用的。mfcrffcVCllFVsss)1()/(0-+=-小结：1）在硼酸存在下,大大降低了铜的氧化程度,碳纤维分散均匀且没有损伤；2）少量硼酸的加入,对基体的力学性能没有影响；3）该复合材料的抗拉强度随碳纤维含量的增加而增加,其抗拉强度较基体材料提高50%以上,但塑性却明显下降。不足之处：1、未提供样品表征，来说明纤维表面改性及抗氧化处理对短纤维在基体中有良好分散有效果。2、由于是非真空制备，基体铝合金易与大气中的氧发生反应，生成Al2O3颗粒，是否对材料强度做出一定贡献。3、在相关文献及书籍中都有涉及若Cu-Al严重的反应于界面处生成金属间化合物CuAl2，对复合材料力学性能产生恶劣影响，那么在选择碳纤维表面镀铜改性时是否考虑这一问题。想法：在抗氧化处理过程中，H3BO3与O2接触,当温度较高时,H3BO3分解成熔融态的B2O3包覆在复合丝表面保护Cu不被氧化，这层B2O3在一定程度上可以减轻Cu-Al反应，这可以从前面的XRD实验看出（如果这张XRD图是真的话）。而适当的生成CuAl2使界面产生适度强度对力学性能有利。即在我看来，抗氧化处理成了决定此次试验复合材料力学性能的一个重要因素。铝基复合材料的制备主要制备方法有：液态法、固态法。而C/Al复合材料制备方法主要是液态法：液态搅拌法（不连续纤维）、液态挤压铸造法（连续纤维）等等。本次报告主要涉及：铝基复合材料的应用、性能、界面、制备及其相互影响。增强体性能、形状；含量、成分制备方法工艺参数基体成分；性能界面结构及性能复合材料组织及性能参考文献：【1】纤维增强铝基复合材料及其应用[R]费良军特种铸造及有色合金(2001中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会论文集)【2】碳纤维增强铝基复合材料界面的微观结构[J]杨盛良材料工程2001年/第7期【3】金属基复合材料界面问题[J]张国定材料研究学报1997年12月第11卷第6期【4】金属基复合材料[M]赵玉涛等机械工业出版社2007年8月第一版【5】短碳纤维增强铝基复合材料[J]高嵩、姚广春化工学报2005年6月第56卷第6期