基于真空氣壓浸滲的3D-Cf-Al復(fù)合材料微觀組織及力學(xué)性能研究.pdf

1、三維編織Cf/Al復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)度、高比剛度、耐溫性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、良好的耐蝕性、抗損傷性及抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)三維編織結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)單向復(fù)合材料的各向異性，二維復(fù)合材料易分層開裂、層間剪切強(qiáng)度低、抗沖擊性能差的問題，還因其生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、后續(xù)加工少的特點(diǎn)，因而在高新技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(fù)雜的構(gòu)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(chǎn)成本，是一種先進(jìn)的近凈成形技術(shù)。因此，采用真空氣壓浸滲法實(shí)現(xiàn)高性能低成本Cf/Al復(fù)合材料的制備，對(duì)推動(dòng)其工程應(yīng)用具有重要意義。
　　本文選用M40纖維為增強(qiáng)體材料，ZL301鋁合金為基體合金，3D編織的纖維預(yù)制體選用了三維五向和三維正交兩種編織結(jié)構(gòu)，采用真空氣壓浸滲法制備了三維五向和三維正交Cf/Al復(fù)合材料，重點(diǎn)研究了530℃～590℃溫度范圍內(nèi)纖維預(yù)制體預(yù)熱溫度對(duì)三維編織復(fù)合材料微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，并著重

3、對(duì)比了兩種三維編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的差異。
　　研究結(jié)果表明，在相同的浸滲工藝參數(shù)下，三維正交Cf/Al復(fù)合材料的氣孔等微觀組織缺陷較三維五向Cf/Al復(fù)合材料要少，但纖維團(tuán)聚現(xiàn)象較三維五向Cf/Al復(fù)合材料明顯。三維五向與三維正交Cf/Al復(fù)合材料中纖維團(tuán)聚現(xiàn)象均隨預(yù)制體預(yù)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(yù)熱溫度下，三維五向Cf/Al復(fù)合材料組織缺陷

4、主要為束間氣孔及束內(nèi)氣孔，當(dāng)預(yù)熱溫度提高到570℃以上，束內(nèi)氣孔大幅減少，組織缺陷主要為束間氣孔；530℃和550℃預(yù)熱溫度下，三維正交Cf/Al復(fù)合材料中纖維團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，而當(dāng)預(yù)熱溫度提高到570℃以上，三維正交Cf/Al復(fù)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(tuán)聚，各預(yù)熱溫度下，組織缺陷主要為束間氣孔。
　　拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的浸滲工藝參數(shù)下，三維五向Cf/Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量及泊

5、松比均高于三維正交Cf/Al復(fù)合材料，但延伸率小于三維正交Cf/Al復(fù)合材料。隨預(yù)制體預(yù)熱溫度的升高，三維五向和三維正交Cf/Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量均呈先增后減的趨勢，其中，570℃預(yù)熱溫度下二者抗拉強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到最大，抗拉強(qiáng)度分別為753MPa和644MPa，彈性模量分別為194GPa和150GPa；三維五向Cf/Al復(fù)合材料泊松比隨預(yù)制體預(yù)熱溫度的升高逐漸增大，而三維正交Cf/Al復(fù)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(yù)熱溫度下二者的泊松比分別為0.89和0.04；隨預(yù)制體預(yù)熱溫度的升高，三維五向Cf/Al復(fù)合材料的延伸率先增后減，而三維正交Cf/Al復(fù)合材料的延伸率逐漸減小，570℃預(yù)熱溫度下二者的延伸率分別為5.91和7.18。
　　彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的浸滲工藝參數(shù)下，三維五向Cf/Al復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和彎曲模量均低于三維正交Cf/Al復(fù)合材料。隨預(yù)制體預(yù)熱溫度的升高，三維五向Cf/Al復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、彎曲模

7、量均表現(xiàn)為先增后減的趨勢，在570℃預(yù)熱溫度下達(dá)到最大值，分別為931MPa和134GPa；而三維正交Cf/Al復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和彎曲模量均隨預(yù)制體預(yù)熱溫度的升高逐漸降低，在530℃預(yù)熱溫度下達(dá)到最大值，分別為1171MPa和160GPa。
　　三維五向Cf/Al復(fù)合材料拉伸斷口參差不齊，纖維束朝多個(gè)方向分布，而三維正交Cf/Al復(fù)合材料拉伸斷口相對(duì)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的彎曲破壞模式為拉伸破壞和剪切破壞，內(nèi)側(cè)受壓面主要是剪切破壞，外