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解決Cf/Al復合材料界面問題的有效措施

君略研究報告網  2013-06-14  瀏覽:3329


  以高性能碳或石墨纖維增強鋁或鋁合金為基體的復合材料(一般記為Cf/Al復合材料),具有密度低、強度高、剛性好、導熱導電性能好及尺寸穩定性好等優點。碳纖維增強鋁復合材料因其優異的力學性能及物理性能在航空航天等工業領域有著極廣泛的應用前景。

 

  界面及界面效應的存在是影響金屬基復合材料性能發揮的關鍵性因素。適度的界面反應可以有效地改善潤濕性,提高界面強度;但是過度的與不適當的界面反應則會使界面脆弱,降低復合材料的性能。在現有的金屬基復合材料體系中,Cf/Al復合材料對界面是最為敏感的,其界面問題已經成為該復合材料能否成功應用的一個技術障礙。一般地,C與Al的復合界面在500℃便可生成反應物Al4C3,該反應物對界面有危害作用。其危害主要表現為3方面:(1)Al4C3為離子型碳化物,本身呈脆性,它在界面的存在可降低界面在復雜應力下傳遞載荷的作用;(2)Al4C3生成的同時會導致碳纖維損傷,降低纖維的承載能力,從而使復合材料的強度大幅度降低;(3)Al4C3易于水解生成CH4和Al(OH)3。在潮濕環境下界面處會首先形成腐蝕產物Al(OH)3,大大降低復合材料的耐腐蝕性,嚴重時導致脫層腐蝕。

 

  為解決這一問題,國內外大多采用各種類型的表面鍍膜、涂覆處理等措施。表面涂覆處理可以在一定程度上抑制上述界面反應,但工藝復雜、成本高,經過表面涂覆處理后,碳纖維難以再進行大尺寸復雜構件的成型。

 

  研究表明,通過在純鋁中添加不同含量的Mg元素,可以明顯影響界面生成物的變化規律及其對復合材料力學性能的影響。Cf/Al-3.2Mg和Cf/Al-6.5Mg復合材料界面生成物Al4C3相的尺寸縮小,數量也明顯減少;Cf/Al-8.5Mg和Cf/Al-10Mg復合材料界面處沒有觀察到Al4C3相,取而代之是β(Al3Mg2)相。這表明,Al4C3與Al3Mg2之間存在競爭生長問題,當Mg含量高于一定值時,界面處會優先生成Al3Mg2相,取代了Al4C3反應。

 

  脆性相Al4C3的減少和消失有利于復合材料機械強度的提高。實驗證明,純Al基體復合材料的彎曲強度僅為425MPa,而在Mg元素添加量增加到3.2%時材料彎曲強度開始急劇增加,當Mg元素含量增至8.5%左右時材料彎曲強度增加幅度開始變緩。Cf/Al-10Mg復合材料的彎曲強度達到1400MPa左右。

 

  另外,根據界面反應動力學的分析,指出界面反應程度受時間和溫度控制。他們在充分研究了碳纖維預熱溫度、保溫時間及鋁液溫度等工藝參數對Cf/Al復合材料界面Al4C3反應程度的影響之后,找到了使界面結構優化的工藝條件,從而可以通過嚴格控制工藝參數,確保碳纖維與鋁合金的反應保持在所需要的程度范圍內。他們在壓力浸滲專利技術的基礎上發明了在大氣條件下快速浸滲、快速凝固的工藝方法,在幾乎不增加額外成本的前提下通過工藝參數控制解決了界面反應問題。

 

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