短碳纖維增強(qiáng)2024合金復(fù)合材料的研究.pdf

1、非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、良好的抗磨損能力及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，成為金屬基復(fù)合材料的一個重要發(fā)展方向，在航空、航天、國防及汽車工業(yè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。隨著碳纖維制造技術(shù)的進(jìn)步和性能價格比的提高，碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料逐漸受到科研工作者的重視，短碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用也不斷發(fā)展，目前短碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法主要集中在粉末冶金法、壓力浸滲法和擠壓鑄造法，存在制件小、成本高的缺

2、點。攪拌鑄造法由于其工藝簡單、成本低廉，越來越受到重視。本文選擇廣為使用的硬鋁合金2024作為基體材料，采用攪拌鑄造法制備出高質(zhì)量的短碳纖維增強(qiáng)2024合金復(fù)合材料。 本文首先從改善纖維與鋁之間的復(fù)合界面著手，通過碳纖維表面鍍鎳以改善碳纖維與2024合金之間的潤濕性。針對文獻(xiàn)報導(dǎo)中碳纖維鍍鎳工藝存在的不足，本試驗自行配制了添加劑A和添加劑B。前者由苯磺酸類和烷基硫酸類鹽組成，使化學(xué)鍍鎳的碳纖維表面平整、光亮、鍍層致密、結(jié)合力高；

3、后者包括炔類化合物、苯磺酸類和烷基硫酸類鹽，明顯提高電鍍鎳工藝中鍍液的使用壽命，降低了陽極表面處理次數(shù)，提高了鍍層質(zhì)量，鎳鍍層光亮、平整、柔軟。通過試驗，得出最佳的碳纖維化學(xué)鍍鎳工藝條件：NiSO<,4>·6H<,2>O 308/L，NaH<,2>PO<,2>·H<,2>O 20g/L，檸檬酸鈉30g/L，醋酸納20g/L，乳酸20ml/L，添加劑A為2.0ml/L，pH 5.0，施鍍時間為20min，鍍液溫度為55℃；最佳的碳纖維電鍍

4、鎳工藝條件：NiSO<,4>·6H<,2>O 350g/L，H<,3>BO<,3> 40g/L，添加劑B為50ml/L，電流密度0.308A/din<'2>，電鍍時間5min。 本試驗針對攪拌鑄造法制備復(fù)合材料存在孔隙率偏高的缺點對工藝進(jìn)行了重要的改進(jìn)，即在澆鑄前采用真空除氣法以降低復(fù)合材料的孔隙率，取得了明顯的效果。試驗研究了真空度、真空除氣時間對復(fù)合材料孔隙率的影響，并且分別考察了攪拌溫度、攪拌時間、攪拌速度對制備優(yōu)質(zhì)復(fù)合材

5、料的影響，根據(jù)攪拌動力學(xué)機(jī)制及結(jié)合鑄造出復(fù)合材料的組織和性能，獲得最佳工藝條件參數(shù)：攪拌溫度：750℃；攪拌時間：5 min；攪拌速度：1000 r/min；真空爐溫度：750℃；真空度：0.02 MPa；真空除氣時間：2 min。 試驗發(fā)現(xiàn)，與其它鋁合金不同，添加0.25％CeO<,2>即能夠?qū)w合金起到細(xì)化晶粒，強(qiáng)化基體的作用，適量的CeO<,2>不僅能夠提高復(fù)合材料熔體的運動粘度，使碳纖維上浮速度減小，而且還促進(jìn)鋁基體與

6、碳纖維的潤濕，減少碳纖維的團(tuán)聚現(xiàn)象，從而使碳纖維均勻地分布在復(fù)合材料中；同時添加適量的CeO<,2>能夠使復(fù)合材料孔隙率相應(yīng)減小，使復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度得到提高，復(fù)合材料的塑性稍有下降。腐蝕試驗證明，添加0.25％CEO<,2>即能夠克服添加增強(qiáng)相所帶來的腐蝕性能的下降，通過阻礙表面點蝕行為、抑制析氫反應(yīng)的發(fā)生，使復(fù)合材料的腐蝕電位與2024合金相比略有提高。根據(jù)短纖維增強(qiáng)機(jī)理和三元相圖，本文從鍍鎳層厚度、碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳纖維

7、長度三方面考察了C<,f>/2024合金復(fù)合材料的組織和性能，結(jié)果表明，攪拌真空鑄造法制備復(fù)合材料過程中，當(dāng)鍍鎳層厚度為0.70μm，碳纖維添加量為4％，短纖維長度為2～3mm時，復(fù)合材料中碳纖維與基體結(jié)合緊密，力學(xué)性能最好。 復(fù)合材料疲勞測試發(fā)現(xiàn)，添加碳纖維的復(fù)合材料在5×10<'6>循環(huán)周次下的抗疲勞強(qiáng)度比基體合金提高了35％，結(jié)合掃描電鏡分析，可知碳纖維的加入能夠阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，提高復(fù)合材料的抗疲勞性能，添加劑CeO<

8、,2>也有利于提高基體和復(fù)合材料的抗疲勞性能。 采用透射電鏡對界面狀況進(jìn)行觀察，從表觀上看采用攪拌真空鑄造法制備的復(fù)合材料中，碳纖維與合金基體之間結(jié)合緊密，鍍鎳層發(fā)生溶解，界面上未生成大量的Al-Ni組成的物相。與一般文獻(xiàn)報導(dǎo)不同，本文發(fā)現(xiàn)在界面上存在C向Al合金基體發(fā)生擴(kuò)散的現(xiàn)象，擴(kuò)散層厚度大約40nm，而且在擴(kuò)散過程中未生成明確化學(xué)計量比的碳鋁化合物。碳纖維與鋁基體在界面處以機(jī)械和擴(kuò)散兩種方式相結(jié)合。 復(fù)合材料軋制擠

9、壓試驗表明，復(fù)合材料軋制過程中，軋制溫度必須嚴(yán)格控制在420～460℃之間，需遵循多道次小壓下量的原則，初始和終了道次壓下量不宜過大。復(fù)合材料擠壓溫度控制在400～460℃之間，本試驗過程中擠壓筒和模具溫度都保持為450℃，參照基體合金的變形能力，本試驗選取35mm/s(棒材運動速度)。 軋制擠壓處理后復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度都明顯提高，在相同熱處理條件下，擠壓態(tài)復(fù)合材料強(qiáng)度、硬度性能比軋制態(tài)好。與退火態(tài)2024合金(退火溫度420