Cf-Al復(fù)合材料界面顯微組織和缺陷的形成與演化機(jī)制研究.pdf

1、本文針對(duì)大氣下存放8年的Cf/Al復(fù)合材料構(gòu)件的腐蝕與未腐蝕區(qū)域,觀察其顯微組織和缺陷,通過對(duì)工藝過程分析和試驗(yàn)再現(xiàn)驗(yàn)證,分析顯微組織和缺陷的形成,得到復(fù)合材料顯微組織與制備工藝的相關(guān)關(guān)系,這對(duì)于利用工藝方法低成本、高效率地提高復(fù)合材料性能具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。
　　對(duì)Cf/Al復(fù)合材料構(gòu)件不同區(qū)域的形貌和微觀組織觀察及物相分析表明,界面反應(yīng)產(chǎn)物 Al4C3和縮孔縮松缺陷含量的不同造成復(fù)合材料構(gòu)件呈現(xiàn)不同損傷特性。對(duì)構(gòu)件不

2、同區(qū)域制備過程的溫度特征的計(jì)算表明,Al4C3和縮孔縮松缺陷的產(chǎn)生與鑄造溫度和冷卻過程有關(guān)。
　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)了驗(yàn)證試驗(yàn),研究鑄造溫度和冷卻過程對(duì)Al4C3形成的影響。鑄造溫度選取670℃、700℃和750℃,結(jié)果顯示隨鑄造溫度升高, Cf/Al復(fù)合材料界面反應(yīng)迅速增加,Al4C3相的尺寸增大、長徑比減小,含量與溫度基本滿足指數(shù)關(guān)系。由于對(duì)冷卻速度的控制難度較大,對(duì)制備的復(fù)合材料進(jìn)行高溫停留試驗(yàn)?zāi)M冷卻過程,研究冷卻過程中的

3、溫度和時(shí)間對(duì)界面反應(yīng)的影響。結(jié)果顯示:550℃保溫處理界面反應(yīng)不明顯,這是由于 M40J碳纖維石墨化度較高,對(duì)碳原子的束縛力增大,降低碳向鋁中的擴(kuò)散;并且微晶沿纖維軸向排列的取向性高,易于形核的微晶邊緣減少,因而需要在更高的溫度下才能明顯反應(yīng);600℃時(shí) Al4C3的增加速度呈現(xiàn)先快后減慢,這可能是由于纖維表面易于形核位置減少,Al4C3尺寸增加使碳原子難以擴(kuò)散通過至反應(yīng)前沿;640℃時(shí)溫度給形核提供足夠高的能量,使形核位置不再局限于微

4、晶邊緣和缺陷等,另外溫度的升高使碳原子的擴(kuò)散能力大大增加,因而隨保溫時(shí)間增加, Al4C3的含量持續(xù)線性增加。
　　結(jié)合高溫停留試驗(yàn)結(jié)果,運(yùn)用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論分析不同溫度下界面反應(yīng)的可行性和反應(yīng)速率。熱力學(xué)計(jì)算表明,理論上200～1200K界面反應(yīng)均可發(fā)生;動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明,M40J/6061Al復(fù)合材料中,溫度低于840K時(shí)擴(kuò)散速率常數(shù)幾乎為零,可認(rèn)為不發(fā)生界面反應(yīng);860K后擴(kuò)散速率常數(shù)迅速增加,因而在Cf/Al復(fù)合材料制備過