基于真空氣壓浸滲的3D-Cf-Al復合材料微觀組織及力學性能研究.pdf

1、三維編織Cf/Al復合材料具有質輕、高比強度、高比剛度、耐溫性、結構穩(wěn)定性、良好的耐蝕性、抗損傷性及抗沖擊性等優(yōu)點，同時三維編織結構克服了傳統(tǒng)單向復合材料的各向異性，二維復合材料易分層開裂、層間剪切強度低、抗沖擊性能差的問題，還因其生產成本低、結構可設計性、后續(xù)加工少的特點，因而在高新技術領域具有廣闊的應用前景。真空氣壓浸滲法將材料制備與成形一體化，能直接制備出尺寸精確和形狀復雜的構件，避免二次加工破壞纖維的連續(xù)性，大大縮短了加工周期，

2、降低了生產成本，是一種先進的近凈成形技術。因此，采用真空氣壓浸滲法實現(xiàn)高性能低成本Cf/Al復合材料的制備，對推動其工程應用具有重要意義。
　　本文選用M40纖維為增強體材料，ZL301鋁合金為基體合金，3D編織的纖維預制體選用了三維五向和三維正交兩種編織結構，采用真空氣壓浸滲法制備了三維五向和三維正交Cf/Al復合材料，重點研究了530℃～590℃溫度范圍內纖維預制體預熱溫度對三維編織復合材料微觀組織及力學性能的影響規(guī)律，并著重

3、對比了兩種三維編織結構Cf/Al復合材料微觀組織和力學性能的差異。
　　研究結果表明，在相同的浸滲工藝參數(shù)下，三維正交Cf/Al復合材料的氣孔等微觀組織缺陷較三維五向Cf/Al復合材料要少，但纖維團聚現(xiàn)象較三維五向Cf/Al復合材料明顯。三維五向與三維正交Cf/Al復合材料中纖維團聚現(xiàn)象均隨預制體預熱溫度的升高而逐漸減少，纖維分布也更趨于均勻，組織缺陷逐漸減少，其中，530℃和550℃預熱溫度下，三維五向Cf/Al復合材料組織缺陷

4、主要為束間氣孔及束內氣孔，當預熱溫度提高到570℃以上，束內氣孔大幅減少，組織缺陷主要為束間氣孔；530℃和550℃預熱溫度下，三維正交Cf/Al復合材料中纖維團聚現(xiàn)象明顯，而當預熱溫度提高到570℃以上，三維正交Cf/Al復合材料縱向和橫截面中纖維分布較均勻，但平面形貌中始終存在一定的纖維團聚，各預熱溫度下，組織缺陷主要為束間氣孔。
　　拉伸試驗結果表明，在相同的浸滲工藝參數(shù)下，三維五向Cf/Al復合材料的抗拉強度、彈性模量及泊

5、松比均高于三維正交Cf/Al復合材料，但延伸率小于三維正交Cf/Al復合材料。隨預制體預熱溫度的升高，三維五向和三維正交Cf/Al復合材料的抗拉強度、彈性模量均呈先增后減的趨勢，其中，570℃預熱溫度下二者抗拉強度和彈性模量達到最大，抗拉強度分別為753MPa和644MPa，彈性模量分別為194GPa和150GPa；三維五向Cf/Al復合材料泊松比隨預制體預熱溫度的升高逐漸增大，而三維正交Cf/Al復合材料的泊松比沒有明顯變化，且其泊松

6、比的值很小，570℃預熱溫度下二者的泊松比分別為0.89和0.04；隨預制體預熱溫度的升高，三維五向Cf/Al復合材料的延伸率先增后減，而三維正交Cf/Al復合材料的延伸率逐漸減小，570℃預熱溫度下二者的延伸率分別為5.91和7.18。
　　彎曲試驗結果表明，在相同的浸滲工藝參數(shù)下，三維五向Cf/Al復合材料的抗彎強度和彎曲模量均低于三維正交Cf/Al復合材料。隨預制體預熱溫度的升高，三維五向Cf/Al復合材料的抗彎強度、彎曲模

7、量均表現(xiàn)為先增后減的趨勢，在570℃預熱溫度下達到最大值，分別為931MPa和134GPa；而三維正交Cf/Al復合材料的抗彎強度和彎曲模量均隨預制體預熱溫度的升高逐漸降低，在530℃預熱溫度下達到最大值，分別為1171MPa和160GPa。
　　三維五向Cf/Al復合材料拉伸斷口參差不齊，纖維束朝多個方向分布，而三維正交Cf/Al復合材料拉伸斷口相對較平整，垂直拉伸方向碳纖維束分布較多，二者均有纖維束拔出現(xiàn)象；三維五向Cf/Al

8、復合材料彎曲斷口纖維束朝著彎曲的方向傾斜，彎曲斷裂后的纖維束參差不齊，而三維正交編織Cf/Al復合材料的彎曲斷口沒有發(fā)現(xiàn)纖維束有方向性傾斜的現(xiàn)象，且其彎曲斷口形貌與拉伸斷口形貌相似。三維五向、三維正交Cf/Al復合材料的拉伸破壞模式為拉伸斷裂和剪切破壞，其中，縱向纖維束主要為拉伸斷裂，而與拉伸方向成一定角度的纖維束斷裂模式主要為剪切破壞；三維五向、三維正交Cf/Al復合材料的彎曲破壞模式為拉伸破壞和剪切破壞，內側受壓面主要是剪切破壞，外