Ti/Al/C_f复合材料的制备

论文摘要

近年来随着C纤维生产成本的降低和性能的不断提高,C纤维作为金属基复合材料的增强相越来越受到人们的重视。目前国内外对C纤维增强Al基复合材料的研究较多,而对于C纤维增强Ti基复合材料的研究几乎没有报道,即使是对C纤维增强Al基复合材料的研究也多数集中在短纤维作为增强相时,对于连续长纤维和纤维布作为增强相时的研究非常少。本文探索了采用叠层热压结合的方法制备Ti/Al/Cf基复合材料的工艺,分析了不同条件下复合材料的界面结构特征以及界面反应产物的形成机理。由于碳纤维与金属基体润湿性能差,文中分别使用了原始状态的碳纤维、经过去胶处理的纤维、表面涂有树脂层的纤维以及镀镍碳纤维等作为增强相。通过分析发现,当采用原始状态的C纤维作为增强相时,纤维和金属基体的润湿性能较差,并且在纤维表面周围形成了Al4C3的反应产物,在金属Al、Ti之间形成了反应产物Al3Ti;当采用表面涂有树脂层的碳纤维作为增强相时,由于树脂挥发后残留物的存在,不仅影响了纤维之间的致密性,而且阻碍了金属基体向纤维内部的渗入,但是经过预先去胶处理后效果明显改善;当采用经过表面镀镍处理后的碳纤维作为增强相时,由于Ni层的存在阻止了碳纤维与金属Al的接触反应,在纤维和金属Al之间的界面处没有Al4C3的形成,取而代之的是Al3Ni相,此时在金属Al和Ti之间的反应产物Al3Ti仍然存在。通过不同处理状态的纤维之间的对比发现,经过镀镍处理后的纤维与金属基体的润湿性能的到了明显的改善,并且阻止了脆性界面产物Al4C3的形成,虽然在纤维和金属Al之间形成了Al3Ni的反应产物,但是由于二者微观结构上的差异,使得Al3Ni相对材料界面和性能的影响要明显小于Al4C3相。在研究Ti/Al/Cf复合材料的基础上,为了进一步分析C纤维和Al的界面反应及结合状态,本文采用挤压铸造方法制备了Cf/Al基复合材,分析了Cf/Al复合材料的微观组织结构并测量了复合材料的力学性能。对比各种不同形式的增强纤维,通过测试得出:采用镀镍C纤维束作为增强相时,复合材料的抗拉强度达到350MPa;采用未经过任何表面处理的原始C纤维布作为增强相时复合材料的抗拉强度为372MPa;采用经过去胶处理后的单向C纤维束作为增强相时复合材料的抗拉强度达到447MPa,这三种复合材料的抗拉强度比原始的基体Al合金的平均抗拉强度177MPa均有大幅度提高,C纤维起到了良好的增强效果。本文的研究结果为后续开展C纤维增强Ti、Al基复合材料的研究奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 金属基复合材料的研究现状
• 1.2.1 金属基复合材料的定义及特点
• 1.2.2 金属基复合材料的分类
• 1.2.3 金属基复合材料的界面
• 1.2.4 金属基复合材料的研究和应用前景
• 1.3 碳纤维增强金属基复合材料的发展现状
• 1.3.1 碳纤维的研究和应用
• 1.3.2 纤维的增强机理
• 1.3.3 制备工艺的发展
• 1.4 本课题的研究意义和研究内容
• f复合材料的制备工艺'>第2章 Ti/Al/C_f复合材料的制备工艺
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料
• f复合材料的主要原材料'>2.2.1 叠层热压法制备Ti/Al/C_f复合材料的主要原材料
• f/Al复合材料的实验原材料'>2.2.2 挤压铸造法制备C_f/Al复合材料的实验原材料
• 2.3 实验设备及实验方法
• 2.3.1 实验设备
• 2.3.2 试验方法
• 2.4 实验样品的制备
• 2.4.1 SEM样品的制备
• 2.4.2 XRD样品的制备
• 2.4.3 拉伸实验样品的制备
• 2.5 本章小结
• 第3章 单向碳纤维布增强Ti-Al复合材料的显微组织分析
• 3.1 引言
• 3.2 单向碳纤维布增强Ti-Al基复合材料的截面形貌
• 3.2.1 树脂涂层单向碳纤维布增强Al-Ti复合材料的显微形貌
• 3.2.2 去胶处理单向碳纤维布增强Al-Ti复合材料的显微形貌
• 3.3 复合材料的界面结构
• 3.3.1 复合材料横截面的界面结构
• 3.3.2 复合材料斜截面的界面结构
• 3.4 复合材料的界面反应产物
• 3.4.1 基体和增强纤维之间过渡层的相组成
• 3.4.2 增强纤维和金属Al的结合状态
• 3.5 界面产物的形成机理
• 3Ti的形成机制'>3.5.1 Al₃Ti的形成机制
• 4C₃的形成机制'>3.5.2 Al₄C₃的形成机制
• 3.6 本章小结
• 第4章 镀镍碳纤维增强Ti-Al复合材料组织结构分析
• 4.1 引言
• 4.2 复合材料的微观形貌
• 4.3 复合材料的界面反应层及反应产物
• 4.3.1 基体中的反应层及反应产物
• 4.3.2 增强纤维与金属的反应层及反应产物
• 4.4 不同反应产物的形成
• 3Ni的形成'>4.4.1 Al₃Ni的形成
• 2O₃的形成'>4.4.2 Al₂O₃的形成
• 4.5 本章小结
• 第5章 挤压铸造法制备碳纤维增强Al基复合材料及其性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 复合材料的微观形貌
• 5.2.1 去胶处理后的单向纤维布+Al复合材料的组织形貌
• 5.2.2 镀镍纤维+Al复合材料的组织形貌
• 5.2.3 原始纤维束+Al复合材料的组织形貌
• 5.2.4 原始纤维布+Al复合材料的组织形貌
• 5.2.5 金属基体的组织形貌
• 5.3 材料的力学性能
• 5.3.1 金属基体的力学性能
• 5.3.2 复合材料的力学性能
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢