碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料表面氧化鋁層制備及性能研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其相對于金屬材料所具有的高比強(qiáng)度,在很多領(lǐng)域內(nèi)都具有很強(qiáng)的競爭力。樹脂基復(fù)合材料在航空航天以及艦艇設(shè)計上因其所表現(xiàn)出的優(yōu)異的性能而受到格外關(guān)注。然而樹脂基復(fù)合材料具有的低耐熱性能和低耐磨性能的缺點(diǎn)制約了它的應(yīng)用。本文針對提高碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的耐熱耐磨性能,研究在樹脂基復(fù)合材料表面制備氧化鋁陶瓷保護(hù)涂層,并對涂層的性能,生長機(jī)制進(jìn)行了分析。
　　考慮到樹脂基復(fù)合材料與氧化鋁涂層之間巨大的熱膨脹系數(shù)差

2、異,和由此帶來的涂層的內(nèi)部應(yīng)力所導(dǎo)致的涂層剝落,選擇具有多孔特性的等離子噴涂涂層與微弧氧化涂層,通過對兩種工藝的參數(shù)進(jìn)行控制,成功在樹脂基復(fù)合材料表面制備出了具有高硬度的陶瓷涂層。隨后對這兩種工藝所制備的涂層的性能進(jìn)行了表征,并通過兩種工藝的工藝參數(shù)的選擇來研究兩種不同工藝在樹脂基體表面制備涂層的形成機(jī)理及其特點(diǎn),最后對兩種工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。
　　首先,用等離子噴涂和電弧噴涂的方法在樹脂基復(fù)合材料表面制備了Al過渡涂層,

3、通過在涂層制備過程中對樹脂基體溫度的檢測,以及對涂層的XRD分析和微觀組織形貌的觀察,確定了制備Al過渡層的最優(yōu)方法,發(fā)現(xiàn)涂層與樹脂之間是通過機(jī)械結(jié)合的方式結(jié)合,并且形成涂層的板條結(jié)構(gòu)的扁平化程度對于涂層的結(jié)合強(qiáng)度有重要影響。同時,確定了在等離子噴涂過程中對基體進(jìn)行充分的冷卻,并采用多次噴涂的方法,給基體以充足的冷卻時間,才能避免噴涂過程中對樹脂基體產(chǎn)生的熱損傷。
　　在已經(jīng)制備好的Al過渡層上,用等離子噴涂的方法制備了Al2O3

4、陶瓷涂層。對涂層的XRD分析發(fā)現(xiàn)涂層主要由α-Al2O3和γ-Al2O3兩種相組成。對各涂層進(jìn)行了微觀組織形貌觀察,Al2O3涂層內(nèi)觀察到兩種結(jié)構(gòu):一種是表面粗糙的,類似珊瑚的并帶有孔洞的結(jié)構(gòu);另一種是相對偏平的平滑結(jié)構(gòu)。這兩種不同的結(jié)構(gòu)在涂層表面隨機(jī)分布。隨著噴涂電流強(qiáng)度的升高,涂層內(nèi)粗糙的類珊瑚結(jié)構(gòu)逐漸減少,而平滑的結(jié)構(gòu)則逐漸增多。納米壓痕測試證明了應(yīng)用等離子噴涂工藝可以在樹脂基復(fù)合材料表面制備出具有較高硬度的Al2O3陶瓷涂層,從

5、而可以起到對涂層表面的保護(hù)作用。但是在噴涂了陶瓷涂層后,所有涂層的結(jié)合強(qiáng)度都下降到1.2MPa以下,說明應(yīng)用等離子噴涂工藝制備Al2O3陶瓷會對樹脂基體造成損傷并降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度。
　　隨后應(yīng)用微弧氧化的方法,以等離子噴涂制備的Al過渡層為金屬基體,制備Al2O3陶瓷涂層。對不同微弧氧化時間和氧化電壓所獲得的涂層進(jìn)行了微觀組織形貌的觀察和化學(xué)組分的分析,并討論了微弧氧化在等離子噴涂制備涂層上的作用機(jī)理,以及氧化時間和氧化電壓對于

6、涂層的影響。發(fā)現(xiàn)各涂層內(nèi)均存在α-Al2O3,γ-Al2O3和無定形相。并且,隨著時間/電壓的升高,α-Al2O3和γ-Al2O3相的含量也相應(yīng)增大。并且涂層的結(jié)構(gòu)會隨著時間/電壓的變化呈現(xiàn)出先致密化后孔洞增多的現(xiàn)象。對涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試表明,采用微弧氧化的方法可以獲得具有較高結(jié)合強(qiáng)度(最低為4.67MPa)的涂層。
　　最后,對各涂層進(jìn)行了摩擦磨損性能測試,結(jié)果表明,各種方法所制備的涂層均可以對樹脂基體起到一定的提高耐磨性能的作