涂層碳纖維鎂基復(fù)合材料的界面控制.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料(C/Mg復(fù)合材料),具有密度低、比強(qiáng)度、比模量高、熱膨脹系數(shù)可以接近于零、在較大溫度范圍內(nèi)具有很好的尺寸穩(wěn)定性等突出的特性,在航空、航天、國防等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用背景。然而 C/Mg復(fù)合材料體系本身的一些特性因素制約了它的發(fā)展,主要包括(1)碳纖維和鎂基體不潤濕給C/Mg復(fù)合材料的制備造成很大困難;(2)嚴(yán)重界面反應(yīng)使得 C/Mg復(fù)合材料無法獲得理想的界面結(jié)合狀態(tài),同樣制約著復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　本文

2、通過對(duì) C/Mg復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的理論分析,制備工藝及界面的優(yōu)化設(shè)計(jì),成功制備出碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料,并對(duì)其微觀組織結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)層的形成規(guī)律及機(jī)理和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究;揭示了不同纖維涂層造成的界面反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)界面結(jié)構(gòu)和斷裂行為的影響規(guī)律,并在TiO2涂層C/Mg復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的新界面結(jié)構(gòu);在此基礎(chǔ)上,研究了基體中鋁含量以及涂層厚度對(duì)新界面結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響規(guī)律,初步探討了TiO2涂層C/Mg復(fù)合材料的界面形成機(jī)制及其斷裂

3、行為。
　　為了實(shí)現(xiàn) C/Mg復(fù)合材料的理想界面結(jié)合,本文提出了一個(gè)具體的界面結(jié)構(gòu):微反應(yīng)層界面結(jié)構(gòu)來獲得適度界面結(jié)合的狀態(tài)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中,首先碳纖維周圍存在一層擴(kuò)散阻擋層以保護(hù)碳纖維不受基體合金的反應(yīng)侵蝕而造成力學(xué)性能下降。其次,涂層材料和鎂基體之間反應(yīng)產(chǎn)物不是以有針狀界面相存在,而是以極薄的納米級(jí)厚度反應(yīng)物層的形式存在于界面區(qū)域,這樣可以避免針狀界面產(chǎn)物在界面區(qū)域造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致整體復(fù)合材料力學(xué)性能急劇下降的現(xiàn)象。
　

4、　本文通過溶膠凝膠法實(shí)現(xiàn)碳纖維表面MgO,SiO2和TiO2涂層的涂敷,通過控制溶膠、涂膠過程、燒結(jié)過程可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、厚度均勻、無突起、不開裂的纖維涂層。SiO2和TiO2等潤濕涂層能夠顯著降低 C/Mg復(fù)合材料的浸滲壓力。采用具有規(guī)則球形外形的空心微珠作為混雜顆粒,在降低浸滲壓力的同時(shí)又提高了碳纖維的分散均勻性。
　　MgO涂層不能改善碳纖維和鎂之間的潤濕問題,所制備的涂層C/Mg復(fù)合材料中很容易生成明顯的浸滲缺陷,其彎曲模量和

5、彎曲強(qiáng)度分別為86GPa和643MPa;SiO2涂層改善了C/Mg的潤濕性,復(fù)合材料的彎曲模量提高到116GPa,但由于SiO2涂層和鎂基體之間的界面反應(yīng)嚴(yán)重,在碳纖維周圍生成大量的針狀界面相,其彎曲強(qiáng)度為676MPa,沒有顯著提高。TiO2涂層 C/Mg復(fù)合材料的界面潔凈,未發(fā)現(xiàn)針織界面產(chǎn)物,其彎曲力學(xué)性能顯著提高,彎曲模量和彎曲強(qiáng)度分別提高到132GPa和1009MPa。TEM分析結(jié)果表明,TiO2涂層和鎂基體的反應(yīng)產(chǎn)物并沒有以顆粒

6、或者針狀的形式聚集在界面區(qū)域,而是以一層20-30nm界面反應(yīng)層的形式存在于界面區(qū)域。這是因?yàn)門i和Mg之間不互溶也不反應(yīng),因此被基體Mg置換出的單質(zhì)Ti不會(huì)和Mg生成金屬間化合物,由界面反應(yīng)產(chǎn)物Ti和MgO組成的反應(yīng)物層隔絕了TiO2涂層和鎂基體之間的繼續(xù)接觸,界面反應(yīng)進(jìn)度得以控制,最終在 C/Mg復(fù)合材料中形成了微反應(yīng)層界面結(jié)構(gòu),并且這種新的界面結(jié)構(gòu)提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　鎂基體中的鋁含量以及涂層厚度對(duì)TiO2涂層C/

7、Mg復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能具有顯著影響。
　　●當(dāng)基體從 AZ91(9％Al)變成 Mg-2%Al合金時(shí),C/Mg復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度了26%,從1009MPa提高了到1277MPa(對(duì)比中涂層厚度為150nm)。
　　●在 TiO2涂層 C/Mg復(fù)合材料中存在最小界面層厚度。最小界面層厚度受基體中鋁含量的影響。本研究中Mg-2%Al和AZ91的最小界面層厚度分別為30nm和40nm。本質(zhì)上說,界面層能夠阻止基體中Al擴(kuò)

8、散到碳纖維生成Al4C3相。因此,界面層需要達(dá)到最小界面層厚度才能發(fā)揮作用。
　　●當(dāng)涂層厚度大于最小界面層厚度時(shí),復(fù)合材料力學(xué)性能隨涂層厚度的降低而增加。碳纖維表面TiO2涂層厚度分別為150nm,60nm和30nm時(shí),Cf-TiO2/Mg-2%Al復(fù)合材料的對(duì)應(yīng)彎曲強(qiáng)度隨涂層的增加而提高,分別為1277MPa,1309MPa和1391MPa;
　　●當(dāng)TiO2涂層厚度小于最小界面層厚度時(shí),TiO2涂層過薄,無法形成有效的