（有色金属冶金专业论文）短碳纤维增强2024合金复合材料的研究.pdf

东北大学博士学位论文 摘要 短碳纤维增强2 0 2 4 合金复合材料的研究 摘要 非连续增强金属基复合材料由于具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、良好 的抗磨损能力及尺寸稳定性等优点，成为金属基复合材料的一个重要发展方向，在航空、 航天、国防及汽车工业等领域有广阔的应用前景。随着碳纤维制造技术的进步和性能价 格比的提高，碳纤维增强铝基复合材料逐渐受到科研工作者的重视，短碳纤维增强铝基 复合材料的研究和应用也不断发展，目前短碳纤维增强铝基复合材料的制备方法主要集 中在粉末冶金法、压力浸渗法和挤压铸造法，存在制件小、成本高的缺点。搅拌铸造法 由于其工艺简单、成本低廉，越来越受到重视。本文选择广为使用的硬铝合金2 0 2 4 作 为基体材料，采用搅拌铸造法制备出高质量的短碳纤维增强2 0 2 4 合金复合材料。 本文首先从改善纤维与铝之间的复合界面着手，通过碳纤维表面镀镍以改善碳纤维 与2 0 2 4 合金之间的润湿性。针对文献报导中碳纤维镀镍工艺存在的不足，本试验自行 配制了添加剂a 和添加剂b 。前者由苯磺酸类和烷基硫酸类盐组成，使化学镀镍的碳 纤维表面平整、光亮、镀层致密、结合力高；后者包括炔类化合物、苯磺酸类和烷基硫 酸类盐，明显提高电镀镍工艺中镀液的使用寿命，降低了阳极表面处理次数，提高了镀 层质量，镍镀层光亮，平整、柔软。通过试验，得出最佳的碳纤维化学镀镍工艺条件： n i s 0 4 6 h 2 03 0 9 l ，n a i - 1 2 p 0 2 h 2 02 0 9 l ，柠檬酸钠3 0 9 l ，醋酸纳2 0 9 l ，乳酸2 0 m l l ， 添加剂a 为2 0 m l l ，p i - i5 0 ，施镀时间为2 0 m i n ，镀液温度为5 5 1 2 ：最佳的碳纤维电 镀镍工艺条件：n i s 0 4 - 6 h 2 03 5 0 9 l ，h 3 8 0 34 0 9 l ，添加剂b 为5 0 m l l ，电流密度 0 3 0 8 a d m 2 ，电镀时间5 m i n 。 本试验针对搅拌铸造法制备复合材料存在孔隙率偏高的缺点对工艺进行了重要的 改进，即在浇铸前采用真空除气法以降低复合材料的孔隙率，取得了明显的效果。试验 研究了真空度、真空除气时间对复合材料孔隙率的影响，并且分别考察了搅拌温度、搅 拌时间、搅拌速度对制备优质复合材料的影响，根据搅拌动力学机制及结合铸造出复合 材料的组织和性能，获得最佳工艺条件参数：搅拌温度：7 5 0 ( 2 ；搅拌时间：5m i n ；搅 拌速度：1 0 0 0r r a i n ；真空炉温度：7 5 0 ；真空度：o 0 2h 伊a ：真空除气时间：2m i l l 。 试验发现，与其它铝合金不同，添加0 2 5 c e 0 2 即能够对基体合金起到细化晶粒， 强化基体的作用，适量的c e t h 不仅能够提高复合材料熔体的运动粘度，使碳纤维上浮 速度减小，而且还促进铝基体与碳纤维的润湿，减少碳纤维的团聚现象，从而使碳纤维 均匀地分布在复合材料中；同时添加适量的c e 0 2 能够使复合材料孔隙率相应减小，使 复合材料的抗拉强度、屈服强度得到提高，复合材料的塑性稍有下降。腐蚀试验证明， 添加0 2 5 c e 0 2 即能够克服添加增强相所带来的腐蚀性能的下降，通过阻碍表面点蚀 东北大学博士学位论文摘要 行为、抑制析氢反应的发生，使复合材料的腐蚀电位与2 0 2 4 合金相比略有提高。 根据短纤维增强机理和三元相图，本文从镀镍层厚度、碳纤维质量分数、碳纤维长 度三方面考察了c f 2 0 2 4 合金复合材料的组织和性能，结果表明，搅拌真空铸造法制备 复合材料过程中，当镀镍层厚度为0 7 0 i u n ，碳纤维添加量为4 ，短纤维长度为2 3 m m 时，复合材料中碳纤维与基体结合紧密，力学性能最好。 复合材料疲劳测试发现，添加碳纤维的复合材料在5 x 1 0 6 循环周次下的抗疲劳强度 比基体合金提高了3 5 ，结合扫描电镜分析，可知碳纤维的加入能够阻止疲劳裂纹的扩 展，提高复合材料的抗疲劳性能，添加剂c e 0 2 也有利于提高基体和复合材料的抗疲劳 性能。 采用透射电镜对界面状况进行观察，从表观上看采用搅拌真空铸造法制备的复合材 料中，碳纤维与合金基体之问结合紧密，镀镍层发生溶解，界面上未生成大量的a l - n i 组成的物相。与一般文献报导不同，本文发现在界面上存在c 向舢合金基体发生扩散 的现象，扩散层厚度大约4 0 r i m ，而且在扩散过程中未生成明确化学计量比的碳铝化合 物。碳纤维与铝基体在界面处以机械和扩散两种方式相结合。 复合材料轧制挤压试验表明，复合材料轧制过程中，轧制温度必须严格控制在4 2 0 4 6 0 之间，需遵循多道次小压下量的原则，初始和终了道次压下量不宜过大。复合材 料挤压温度控制在4 0 0 4 6 0 之间，本试验过程中挤压筒和模具温度都保持为4 5 0 ， 参照基体合金的变形能力，本试验选取3 5 r a m s ( 棒材运动速度) 。 轧制挤压处理后复合材料的强度、硬度都明显提高，在相同热处理条件下，挤压态 复合材料强度、硬度性能比轧制态好。与退火态2 0 2 4 合金( 退火温度4 2 0 ，保温时 间6 0 m i n ，冷却速度不大于3 0 m ，冷却至2 6 0 以下，空冷。) 相比，轧制和挤压态复 合材料性能大大提高，抗拉强度分别提高了5 7 和6 1 ，屈服强度分别提高了4 1 和 4 9 0 , 6 ，布氏硬度分别提高了3 4 和4 0 0 , 6 ，而延伸率则明显降低。 关键词：碳纤维；2 0 2 4 合金；铝基复合材料；搅拌真空铸造法；镀镍；疲劳寿命曲线； 极化曲线；复合材料轧制；复合材料挤压 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o fs h o r t - c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e d2 0 2 4 a l l o y m a t r i xc o m p o s i t e s a b s t r a c t d i s c o n t i n u o u sr e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e sb e c o m ea l lh n p o r t a n td e v e l o p m e n t d i r e c t i o fm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( m m c 曲d u et ot h e i rd e s i r a b l ed 柏“i c t c r i s t i c ss u c ha s h i g hs t l e n g t h h i g hh a r d n e s s ，h i g hm o d u l 惦o fe l a s t i c i t y , h i g h - t e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，g o o d w e a rr e s i s t a n c e ，a n dg o o dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t y , a n dt h e r ew a st h ev a s ta p p f i c a t i o nf o r e g r o u n d i na v i a t i o n , a e r o s p a c e ，n a t i o n a ld e f e n c ea n da u t oi n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h ea d v a n c eo f c a d o nf i b e rm a n u f a c t u r et e c h n i q u ea n dt h er a i s eo ft h e i rc o s tp r o p e r t y , s c i e n t i f i cr e s e a r c h w o r k e r sh a da t t a c h c di m p o r t a n c et ot h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e da l u m i n i u mm a 打i xc o m p o s i t e s g r a d l l a l l y t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs h o r tc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e da l u m i n i n mm a t r i x c o m p o s i t e sw a sa l s od e v e l o p e dc o n s t a n t l y , b u tp r e s e n t l y , t h em e t h o do fp r e p a r i n gm a t e r i a l s c o n c c l l _ t l - a t c sc h i e f l ya tp o w d e rm e t a l l 嘲, p r e s si n f i l t r a t i o na n de x t r u s i o nc a s t i n gp r o c e s s e s ) a n dt h ep r o d u c ts i z e1 尬d eb yt h e s em e t h o d sw 私s m a l la n dt h ec o s tw a sh i g ko w i n gt ot h e f a c tt h a tt h et e c h n o l o g yw a ss n n p l ea n di t sl o wc o s t , s c i e n t i f i cr e s e a r c hw o r k e r sh a da t t a c h e d i m p o r t a n c et ot h es t i rc a s t i n gp r o c e s sm o r ea n d m o r e i nt h i sp a p 豇) 2 0 2 4a l l o yf o fe x t e n s i v e u s ew a ss e l e c t e da st h em a t r i xm a t e r i a l ，a n dt h es t i rc a s t i n gp r o c e s sw a sa d o p t e dt o 脚a r e g o o dq u a l i t ys h o r tc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e d2 0 2 4a l l o yc o m p o s i t e s f i r s t l y , t h i se x p e r i m e n tw a sl a u n c h e do ni m p r o v i n gt h ec o m p o u n di n t e r f a c eb d 胁e 虹 f i b r ea n dt h ea l u m i n i u mi no r d e rt oi n c r e a s et h e i rw e t t a b i l i t yb yw a yo fn i c k e lp l a t i n go n c a r b o nf i b e r o w i n gt ot h es h o r t c o m i n go fn i c k e lp l a t i n gp r o c e s so nc a r b o nf i b e rr e p o r t e di n d o c u m e n t s ，a d d i t i o na g e n taa n da d d i t i o na g e n tb w e r ep r e p a r e di nt h i se x p e r i m e n t t h e f o r m e rw a sc 锄p o s e do fb t m z e n es u l f o n i ca c i da n da 【时ls u l p h u r i ca c i ds a l t , w h i c hc o u l d i m p r o v et h es m o o t h n e s s ，l i g h m e s s ，t i g h t n e s sa n db i n d i n gf o r c eo fc a r b o nf i b e re l e c t r o l e s s n i c k e lp l a t i n gc o a t i n g ；t h el a t t e rw a sc o m p o s e do fa l k y n y lc o m p o u n da n db e l l z c l l es u l f o n i c a c i da n da l l 叫s u l p h u r i ca c i ds a l t , i n c r e a s e dt h e $ e r v i c el i f eo fn i c k e le l e c t o p i a t i n gl i q u i d c l e a r l y , r e d u c e dt h ef r e q u e n c yo fa n o d i c 嗣山慨t r e a t m e n t , r a i s e dt h en i c k e lc o a t i n gq u a l i t y , a n dn i c k e lc o a t i n gw a sb r i g h t , l e v e l ，s m o o t ha n ds o f t b yw a yo ft h et e s t , o p t i m u mp r o c e s s c o n d i t i o n so fn i c k e le l e c t r o l e s s p l a t i n g o nc a r b o nf i b e rw e r eg a i n e d 嬲f o l l o w i n g ： n i s 0 4 6 h 2 03 0 9 l ，n a h z p 0 2 h 2 02 0 班，n a 3 c h s 0 7 。2 h 2 03 0 9 ，l ，n a c 2 h 3 0 2 。3 h 2 0 v 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t 2 0 9 l ，c 3 h 6 0 32 0 m l l , a d d i t i o na g e n ta2 0 m l l ，p h5 0 ，p l a t i n gt h n e2 0 m i n , p l a t i n gl i q u i d t e m p e r a t u r e5 5 ；t h eo p t i m u mp r o c e s sc o n d i t i o n so f n i c k e le l e c t r o p l a t i n go i lc a r b o nf i b e r w e r e ：n i s 0 4 6 h 2 03 5 0 9 l ，h 3 8 0 34 0 9 l ，a d d i t i o na g e n tb5 0 m l l ，c u r r e n td e n s i t y0 3 0 8 a d m 2 ，p l a t i n gt i m e5 m i n i nt h i st e s t , a h l l i n ga tt h es h o r t c o m i n go fh i g hp o r o s i t yi nt h ec o m p o s i t e sm p a l e ab y s t i r - c a s t i n gp r o c e s s ，t h ei m p o r t a n ti m p r o v e m e n to i lt h ep i o c c 蟠h a db e e nc a r r i e do n , s ot h e v a c u u md e g a s s i n gm e t h o dw a sa d o p t e df o rr e d u c i n gt h ep o r o s i t yo fc o m p o s i t em a t e r i a l b e f o r ec a s t i n g ，a n dt h ee f f e c tw a sv e r yc l e a t t h ei n f l u e n c eo f v a c u u md e g r e ea n dt h ev a c u u m d e g a s s i n gt i m eo nt h ep o r o s i t yo fc o m p o s i t e sw e r cs t u d i e d , a n ds t i r r i n gt e m p e r a t u r e ，s t i r r i n g t i m e ，s 6 _ r r i n gs p e e di n f l u e n c i n go i lp r e p a r i n gt h eh i g hq u a l i t yc o m p o s i t em a t e r i a lw e l ea l s o r e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h es t h f r i n gd y n a m i c sm e c h a n i s ma n df u n c t i o no ft h ec o m p o s i t e s ， t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d ：s t i r r i n gt e m p e r a t u r e7 5 0 c ，s t i r r i n gt i m e 5 m i n s ，s t i r r i n gs p e e d1 0 0 0r p m v a c u mf u r n a c et e m p e r a t u r e7 5 0 c ，v a c u u md e g r e e0 0 2 m p a , v a c u u md e g a s s i n gt i m e2 m i n s f r o mt h et e s t , i tc a nb es e e nt h a ta d d i n g0 2 5 c e 0 2c o u l dr e f i n ec r y s t a lg r a mo ft h e m a t r i xa l l o ya n ds t r e n g t h e nt h em a t r i xb o d y , w h i c hw a sd i f f e r e n tf t o mo t h e ra l u m i n u ma l l o y s a n a p p r o p r i a t ea m o u n to f c e 0 2n o to n l yc o u l dr a i s et h ek i n e m a t i cv i s c o s i t yo f t h ec o m p o s i t e m a t e r i a lm e l tw h i c hc o u l dr e d u c e dt h es p e e do fc a r b o nf i b e ra s c e n d i n g ，a n dc o u l di m p r o v e t h ew e t t a b i l i t yb e t 、嗍m a t r i xa l u m i n i u ma l l o ya n dc a r b o nf i b e ra n dr e d u c et h ea g g l o m e r a t e d 伽- b o nf i b e r , t h u st h ec a r b o nf i b e rc o u l db ed i s t r i b u t e dh o m o g e n e o u s l yi nt h ec o m p o s i t e m a t e r i a l a tt h es a m et i m e ，蛐a l la p p r o 脚a m o u n to fc e 0 2c o u l dr e d u c et h ep o r o s i t y o f c o m p o s i t e sc o r r e s p o n d i n g l y , a n dr a i s et h et e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds 订e n g t ho f c o m p o s i t e s ， b u tt h ep l a s t i c i t yo fc o m p o s i t e sf a l l e nd o w ns l i g h t l y t h ec o r r o s i o nt e s ts h o w e dt h a ta d d i n g 0 2 5 c e 0 2c o u l dm o u n t t h ed e s c e n to ft h ec o r r o s i o np r o p e r t yf o ra d d i n gr e i n f o r c e r , a n d r a i s et h ec o r r o s i o np o t e n t i a lo fc o m p o s i t e s s l i g h t l yc o m p a n x lw i t h2 0 2 4a l l o yt h r o u g h i m p e d i n gp i t t i n ga c t i o na n dr e s t r a i n i n gh y d r o g e ni o n sr e d u c e dt oh y d r o g e ng a so nt h es u r f a d g o f c o m p o s i t e s a c c o r d i n gt os t r e n g t h e n i n gm c c h a n i s r no fs h o r tf i b e ra n dt e r n a r yp h a s ed h g r a m s ，t h e s t r u c t i l r ea n dp r o p e r t yo fc 以0 2 4a l l o ym a t r i xc o m p o s i t e sw a si n s p e c t e df r o mt h et h r e e f a c t o r si n c l u d i n gt h en i c k e lc o a t i n gt h i c k n e s s ，t h ec a r b o nf i b e rq u a l i t yf r a c t i o na n dt h el e n g t h o fn i c k e lp l a t i n gc a r b o nf i b e r r e s u l t si n d i c a t e dt h a tn i c k e lp l a t i n gc o a t i n gt h i c k n e s s 、析t h o 7 0 l c a r b o nf i b e rq u a l i t yf r a c t i o nw i t h4 ，a n dt h el e n g t ho f n i c k e lp l a t i n gc a r b o nf i b e r w i t h2 - 3 m mc o u l dm a d ec o m p o s i t em m c f i a lw i t hc l o s ec o m b i n a t i o nb e t w l ln m a - i xa l l o y a n dc a r b o nf i b e r s ，a n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t yi nt h ep r o c e s so fp r e p a r i n gc o m p o s i t e m a t e r i a lb ys t i r - v a c u u m - c a s t i n g 东北大学博士学位论文 a b s l r a e t t h ef a t i g u et e s to fc o m p o s i t e ss h o w e dt h a tt h ef a t i g u es t r e n g t ho fc o m p o s i t e s r e i n f o r c e dw i t hc a r b o nf i b e rw i t h5x 1 0 0e i r e u l a t i o nw a sr a i s e d3 5 t h a nt h em a t r i xa l l o y , a c c o r d i n gt os c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n a l y s i s , i tw i l t sk n o w n t h a tc a r b o nf i b e r s i nc o m p o s i t e sc o u l dp r e v e n tt h ef a t i g u ec r a c ke x t e n s i o n , a n dr a i s et h ef a t i g u er e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e s , a n da d d i t i o na g e n tc e 0 2a l s o r a i s e dt h e f a t i g u er e s i s t a n c eo fm a t r i xa n d c o m p o s i t e s f u r t h e r m o r e t h ei n t e r f a c ec o n d i t i o nw a so b s e r v e dt h r o u g ht r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) i nt h i st e s t , r e s u l t ss h o w e d t h a tc a r b o nf i b e ra n da l l o yc o m b i n e dc l o s e l y i nt h ec o m p o s i t e sp r e p a r e db ys t i r - c a s t i n gp r o c e s s ，t h en i c k e lp l a t i n gc o a t i n gd i s s o l v e da n d t h e r ew a sn ol a r g eq u a n t i t yo f p h a s ec o m p o s e do f a i ，n ie l e m e n t so nt h ei n t e r f a c e d i f f e r e n t f r o mt h eg e n e r a ld o c u m e n tr e p o r t s ，d i f f u s i o np h e n o m e n ao fca t o mt o w a r dm a l r i xa l l o yw a s f o u n d0 1 nt h ei n t e r f a c e 。w l a i e hf o r m e dad i f f u s i o nl a y e rw i ma p p r o x i m a t e l y4 0 n t ot h i c k n e s s ， a n dt h e r ew a sn of o r m a t i o no fc a r b o na l u m i n u mc o m p o u n d 诵t hd e f i n i t es t o i e h i o m e t r i c p r o p o r t i o nd u r i n gt h ec o u 雠o f d i f f u s i o n c a r b o nf i b e rc o m b i n e dw i t hm a t r i xa l u m i n i t m aa t i n t e r f a c ew i t ht h em e t h o do f d i f f u s i o na n dm e c h a n i c a lb o n d i n g t h ec o m p o s i t e sr o l l i n gt e s ti n d i c a t e dt h a tt h er o l l i n gt e m p e r a t u r em u s tb ec o n t r o l l e d r i g o r o u s l yb c t w c e r | n4 2 0 4 6 0 c ，a n dt h ep r i n c i p l eo fm u l t i - p a s sa n ds m a l lr e d u c t i o ns h o u l d b ef o l l o w e d , a tb e g i n n i n ga n de n do f t h er e d u c t i o ns h o u l db eu n s u i t a b l yb i ge x c e s s i v e l yi nt h e c o m p o s i t e sr o l l i n gc o i i i 髓c o m p o s i t e se x t r u s i o nt e m p e r a t u r es h o u l db ec o n l r o l l e db e t w e e n 4 0 0 4 6 0 1 2 ，a n di nt h ec o l l r 跎o fe x t r u d i n g , t h ec o n t a i n e ra n dt h ed i et e m p e r a t u r es h o u l db e k e p t 砒4 5 0 1 2 c o n s u l t i n gt h ed e f o r m a b i l i t yo fm a t r i xa l l o y , 3 5 m m s ( s p e e do fb a t ) w a s c h o s e n 越t h ee x t r u s i o ni nt h i sl e s t b o t ho ft h es t r e l l g t ha n dt h eh a r d n e s so fc o m p o s i t e sr a i s e do b v i o u s l ya f t e rt h er o l l i n g a n de x u d i n gl l e a l m c n t c o m p a r i n gt h es t r e n g t ha n dt h eh a r d n e s su n d e rt h ei d e n t i c a lh e a t l 馏a t m c n tc o n d i t i o n , t h ee x l r u d i n gc o m p o s i t e sw e r eb e t t e rt h a nt h er o l l i n gc o m p o s i t e s b e i n g c o m p a r e dw i t ha n n e a l i n g2 0 2 4a l l o y ( a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e4 2 0 c ，h o l d i n gt i m e6 0 r a i n , c o o l i n gv e l o c i t y 一 9 0 0 ，润湿不好，导致 复合材料机械性能降低。 ( 2 ) 复合材料夹气问题 搅拌铸造法制备复合材料是通过搅拌桨高速旋转剪切作用，将增强体混入基体中， 但是熔体会卷入大量气体，加上碳纤维带入的气体，复合材料制件中很容易夹气。 ( 3 ) 碳纤维均匀化问题 增强体均匀化问题是制约搅拌铸造法制备复合材料的一个瓶颈，如何提高增强体的 均匀性是研究搅拌铸造法制备复合材料的一个重点。本试验中短碳纤维容易分层、团聚， 分布不均匀。 ( 4 ) 复合材料界面问题 金属基复合材料的界面问题一直是困扰复合材料研究领域工作者的重大问题嗍。搅 拌铸造法的另一个问题就是如何控制界面反应的发生，适量的界面反应能促进增强物与 金属熔体的润湿和结合，提高界面结合强度，对复合材料是有利的。但过量的界面反应 使界面形成厚的脆性层，削弱增强物与金属的结合，严重影响复合材料性能。 1 4 2 本文研究的主要内容 本研究以搅拌铸造法制备c # 2 0 2 4 合金复合材料，针对上述存在的问题，主要从以 下两方面着手：( 1 ) 基体合金的添加剂处理。通过添加不同量的添加剂来考察其对复合 材料整体性能的影响；( 2 ) 碳纤维的表面处理。通过改变碳纤维表面与合金基体之间的 结合方式，改善合金熔体与碳纤维的润湿性。本文研究的主要内容包括碳纤维表面金属 化处理研究、制备c f 2 0 2 4 合金复合材料工艺研究、c e 0 2 对复合材料组织性能的影响研 究等，主要内容如下： ( 1 ) 碳纤维表面金属化处理研究 表面金属化处理研究包括碳纤维表面预处理研究、化学镀镍工艺研究、电镀镍工艺 研究等，针对以往碳纤维镀镍工艺的不足，自行配制化学镀、电镀镍添加剂，并通过正 交实验，确定出最佳化学镀、电镀镍工艺参数。 ( 2 ) 制备c 一2 0 2 4 合金复合材料工艺研究 因为搅拌铸造法制备复合材料工艺复杂，而且是在高温下进行，影响因素多。制备 工艺研究就是通过对不同工艺条件下制备出的复合材料组织和性能的比较，得出最佳工 艺参数，最后通过工艺参数优化实验研究，获取搅拌铸造法制备复合材料的最终工艺条 1 4 东北大学博士学位论文第一章绪论 件。- ( 3 ) c e 0 2 对复合材料组织性能的影响研究 添加剂c e 0 2 对复合材料组织性能的影响研究主要包括c e 0 2 对基体合金组织性能 的影响研究、c e 0 2 对复合材料组织性能的影响研究。前者通过研究c e 0 2 对2 0 2 4 合金 铸态、退火态组织的影响，c e 0 2 对2 0 2 4 合金力学性能的影响，来寻求c e 0 2 对2 0 2 4 合 金组织性能的影响规律：后者则从复合材料总体性能方面着手。 ( 4 ) 复合材料疲劳性能的研究 为了进一步了解在受到多次重复变化的载荷作用下短碳纤维增强2 0 2 4 合金复合材 料的性能，本课题还将对其疲劳性能进行了研究，通过疲劳寿命曲线、疲劳断口的形貌 以及复合材料组织结构分析手段，来分析复合材料的疲劳断裂机理。 ( 5 ) 复合材料腐蚀性能的研究 本课题将测定复合材料的极化曲线，通过扫描电镜分析其腐蚀表面形貌，比较基体 合金、复合材料的腐蚀速度，了解其腐蚀机理。 ( 6 ) 复合材料轧制挤压研究 本课题还将进行复合材料的轧制和挤压试验，初步研究其轧制挤压工艺，并测试比 较轧制挤压前后复合材料的组织性能。 - 1 5 东北大学博士学位论文 第二幸碳纤维表面金属化处理的研究 第二章碳纤维表面金属化处理的研究 2 1 概述 碳纤维表面金属化能够提高碳纤维在铝合金熔体中的润湿性，使碳纤维均匀地分散 在基体中，从而达到复合材料所要求的性能。此外，碳纤维表面金属化处理之后，作为 一种复合材料纤维，应用领域更为广泛，例如，表面金属化的碳纤维可用作军事飞机的 骨架和蒙皮，使其具有隐身能力【l o o , 1 0 1 】；用在制造航天飞机的鼻锥和机翼前沿等高温部 件f 1 0 2 1 ，使其在返回地面时能耐高温。除了军事和航天上的用途外，表面金属化的碳纤 维在小型大容量电容器、磁性薄膜、电子设备的电磁屏蔽膜以及制造各种功能性元件等 方面都具有较广泛的用途 i o o , 1 0 3 】。 由于金属镍具有良好的化学稳定性和抗氧化性能，因此本课题采用化学镀镍和电镀 镍的方法来进行碳纤维表面金属化处理。文献【5 t 5 8 l 所提到的碳纤维镀镍工艺，镍沉积不 均匀，镀层不致密，而且在电镀过程中生成的镍镀层硬而脆，这些缺陷都不利于制备碳 纤维增强铝基复合材料，所以本试验在前人工作的基础上进行了一些改进，并在化学镀 和电镀过程中分别添加了一种混合添加剂，以改善镀层表观性能。 2 2 实验方法 2 2 1 碳纤维表面化学镀镍 2 2 1 1 碳纤维化学镀镍的实验原型1 0 4 1 化学镀镍是用还原剂把溶液中的镍离子还原并沉积在具有催化活性的表面上。其反 应式为： ， n i 。c m 。十+ r n i + 1 c + o ( 2 1 ) 其中： c 为络合剂； m 为络合剂配位体数目； r ，o 分别为还原剂的还原态和氧化态。上式分解为： 阴极反应： n i c i 皿2 + + 2 e - - * n i + m c ( 2 2 ) 阳极反应：i h o 屹e ( 2 3 ) 该氧化还原反应能否自发进行的热力学判据是反应自由能的变化a g 2 9 s 。现以次磷 酸盐还原剂作例子来计算化学镀镍自由能的变化如下； 1 7 东北大学博士学位论文g - - 章碳纤维表面金属化处理的研究 还原剂的反应：h 2 p 0 2 - + h 2 0 - * h p 0 3 2 + 3 r + 2 e ( 2 4 ) a g 2 0 s = 一9 6 8 9 4k j m o l ； 氧化剂的反应：n i 2 * + 2 e n i ( 2 5 ) 总反应：n p 0 2 + h 2 0 h p 0 3 1 - n i + 3 矿( 2 6 ) 该反应自由能的变化a g 墨n = 4 4 5 7 + ( - 9 6 8 9 4 ) 】= 一5 2 3 2 4k j m o l 。反应自由能变化a g 为负值、且比零小得多，所以从热力学判据得出结论表明用次磷酸盐做还原剂还原n i 2 + 是完全可行的。体系的反应自由能变化g 是状态函数，凡是影响体系状态的各个因素 都会影响反应过程的g 值。 众所周知，对于电化学反应a g - - - n f e 。n 是反应中电子转移数目，f 是法拉第常数， e 是电池电势。因此，可逆电池电势e 也可以直接用来做该电化学反应能否自发进行的 判据。例如： 阳极反应：h 2 p 0 2 2 0 + h 2 p 鸥- + 2 r 2 e( 2 7 ) e + f - 0 5 0 4 v 阴极反应：n i 帆嘶+ + 2 e _ 悄i + 6 1 2 0( 2 8 ) e c _ - 0 2 5 v 总反应为： n i ( h 2 0 ) 6 2 哪0 2 _ + h 2 0 b n i + h 2 p 0 3 1 2 矿+ 6 h 2 0( 2 9 ) 该电池反应电势e = o 2 5 ( - o 5 0 p 加2 5 v e 为正值，表示自由能变化a g 是负值，即反应能自发进行。从标准电极电位a e * 值即可看出：只要还原剂的电位比n i 2 + 还原的电位负，该反应即可自发进行。 从动力学角度来看，反应速度作为反应物和产物浓度的函数的理论表达式，常用微 分方程式： 速度= 警= f ( g g ，c i ) ( 2 i o ) 式中t 表示时间，c i 表示与时间有关的i 粒子的浓度( + 表示产物，一表示 反应物) 。用简单的函数表达式表示如下： 速度= 皇粤= 删四q ( 2 1 1 ) 式中k 为比例常数，通常称之为速度常数，c ，c b ，c c 等相当于化学粒子a ，b 。 c 于t 时刻在反应体系中的浓度( 包括反应物和产物) ，口、，、，等称之为各项化学物质 的反应级数。其中速度常数k 的表达式如下： k = a e x p ( - - e a r t )( 2 1 2 ) 式中a 为频率因子：e a 是反应活化能：t 为绝对温度：r 是气体常数。因此速度 经验公式可以表示为： 1 8 东北大学博士学位论文 第二章碳纤维表面金属化处理的研究 速度= 竺= 彳暇r 几【c 】哪