（材料学专业论文）短碳纤维增强铝基复合材料的制备及性能研究.pdf

兰州大学2 0 0 7 届颈士研究生学位论文 摘要 碳纤维增强复合材料是目前最先进的复合材料之一。它以其轻质高强， 耐高温，抗腐蚀，力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材 料。碳纤维增强铝基复合材料以其高的比强度、比刚度、轴向拉伸强度和耐 磨性，优异的耐高温性能和低的热膨胀系数，良好的导电、导热性、抗疲劳 性等优点在汽车，航天等领域有着广阔的应用前景。 本论文采用粉末冶金的方法制备了致密度较好的短碳纤维增强铝基复合 材料，对制备复合材料的关键工艺碳纤维的表面镀铜进行了优化，较好的解 决了短碳纤维与基体的相容性问题。对复合材料进行了力学性能和摩擦磨损 性能的测试，测试结果如下； 1 随着c f 体积分数增加，材料的致密度下降，硬度和抗拉强度呈现先增 大后减小的规律。硬度最多可提高一倍之多，抗拉强度也比提高了8 0 以上。 2 碳纤维增强铝基复合材料的主要磨损行为是塑性变形，而复合材料的 磨损机制主要是粘着磨损和氧化磨损，并随着复合材料的成分不同，磨损的 主要机制所占的比例也随之变化。 关键词：粉末冶金，铝基复合材料，碳纤维，力学性能，摩擦学性能 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t ei so n eo fp r e s e n tm o s t a d v a n c e dc o m p o s i t e s ，i te x c e l si ni t sl i g h tq u a l i t y , t h e r m o s t a b l e ，t h e c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，e x c e l l e n tt h e r m o d y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n ds oo n t h ec h a r a c t e r i s t i c sw i d e l ys 睨 v ea st h es t r u c t u r a lm a t e r i a lt oa n t i c i p a t et h e t h e r m o st a b l ea n t i - a b l a t a n t b e c a u s ei t sh i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n dr i g i d i t y , t h ea x i a ll o n g i t u d i n a ls t r e n g t ha n dt h er e s i s t a n c et ow e a r , t h eo u t s t a n d i n g t h e r m o s t a b l ep e r f o r m a n c e ，t h el o wt h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t , g o o d e l e c t r i cc o n d u c t i o n , t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n df a t i g u er e s i s t a n c et h e c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t eh a v et h eb r o a d a p p l i c a t i o ni na u t o m o b i l e ，a s t r o n a u t i c s ，i n d u s t r i e se t c i n t h i st h e s i s ，s 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 u mm a t r i x c o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db yp o w e rm e t a l l u r g yt e c h n o l o g y a n dt h e s a m p l e sh a v eab e t t e rd e n s i t y t h et e c h n o l o g yo fc o p p e r - p l a t i n gt oc a r b o n f i b e rs u r f a c e sw e r eo p t i m i z e dt oo b t a i nas o l u t i o ns o l v et h ec o m p a t i b i l i t y b e t w e e ns h o r tc a r b o nf i b e r sa n dm a t r i xm a r t i a l 1 f 1 1 em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ea n di x i b o l o g i c a lb e h a v i o ro ft h ec o m p o s i t ew e r e a l s o d i s c u s s e d ，t h em a i nr e s u l t sa r e 鹊f o l l o w s ： 1 w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h er e i n f o r c e df i b e r s ，t h ec o m p a c t n e s so f c o m p o s i t e sd e c r e a s e d ，t h eh a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t ho f t h ec o m p o s i t e s i n c r e a s e da tt h eb e g i n n i n ga n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ec o n t i n u o u s l y i n c r e a s i n go f t h er e i n f o r c e df i b e r s t h eh a r d n e s so f t h ec o m p o s i t e sw a sb e i i 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 t w i c em o r et h a nb e f o r eh e a tt r e a t m e n ta n dt h et e n s i l es t r e n g t hw a sb e i n c r e a s e db ya b o u t8 0 2 t h em a i n w e a rb e h a v i o ro ft h es h o r tc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e d a l u m i n u mm a t r i x c o m p o s i t e sw a sp l a s t i c d e f o r m a t i o n t h ew e a r m e c h a n i s m so ft h ec o m p o s i t e sw e r em a i n l yt h ea d h e s i v ew e a r sa n d o x i d a t i v ew e a r s ，t h er a t i ob e t w e e nt h e mw a sd i f f e r e n tw i t ht h ed i f f e r e n t i n g r e d i e n t so f t h ec o m p o s i t e s k e yw o r d ：p o w d e rm e t a l l u r g y , a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e ，c a r b o nf i b e r s ， m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，t r i b o l o g i c a lb e h a v i o r m 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王趣篮日期：塑21 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：王雌导师签名：越日期：塑! z 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 第一章文献综述 第一节复合材料概述 1 1 1 复合材料的定义及特点 复合材料是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段 组合而成的一种多相材料【1 2 1 。它既能保留原组成材料的主要特性，还能通过复 合效应获得原组分所不具备的性能。这种组合可能是同一类材料，例如两种金属 也可用不同类的材料，如玻璃和塑料。从复合材料的组成和结构分析，其中有一 相是连续的称为基体相，另一相是分散的、被基体包容的称为增强相。增强相和 基体相之间有个交界面称为复合材料界面，复合材料的各个相在界面上可以物理 地分开。通过在微观结构层次上的深入研究，发现复合材料界面附近的增强相和 基体相由于在复合时复杂的物理和化学原因，变得具有即不同于基体又不同于增 强相组分本体的复杂结构，同时发现这一结构和形态会对复合材料的宏观性能产 生影响，所以界面附近这一结构与性能发生变化的微区也可以作为复合材料的一 相，称为界面相。因此确切地说，复合材料是由基体相、增强相和界面相组成的。 现代复合材料可以通过设计使各组分的性能互相补充并彼此关联从而获得新的 优越性能，这是它与一般材料的简单混合的本质区别。 复合材料有如下特点【3 l ：性能的可设计性；材料与结构的同一性；发挥复合 效应的优越性；良好的阻尼减震性；较高的破损安全性等等。 1 1 2 复合材料的命名及分类刚 1 1 2 1 复合材料的命名 复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据 增强体和基体的名称来命名，一般有以三种情况： 1 强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、 陶瓷基复合材料等。 2 强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。 3 基体材料名称与增强体材料名称并用。这种命名方法常用来表示某一种具 体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。 如“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维环氧树脂复合材 料或玻璃纤维，习：氧”。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。 国外还常用英文编号来表示，如m m c ( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ) 表示金属 基复合材料，f r p ( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ) 表示纤维增强塑料，而玻璃纤垄臣， 环氧则表示为g f e p o x y ，或g e p ( g e p ) 。 1 1 2 2 复合材料的基本分类 按不同的标准和要求复合材料通常有以下几种分类法： ( 1 ) 按使用性能不同分成：结构复合材料；功能复合材料等。 ( 2 ) 按基体材料类型分成：树脂基复合材料；金属基复合材料；无机非金属 基复合材料等。 ( 3 ) 按分散相的形态分成：连续纤维增强复合材料；纤维织物、编织体增强 复合材料；片状材料增强复合材料：短纤维或晶须增强复合材料；颗粒增强复合 材料等。 ( 4 ) 按增强纤维类型分成：碳纤维复合材料；玻璃纤维复合材料；有机纤维 复合材料；陶瓷纤维复合材料等。 1 1 3 复合材料在2 1 世纪中应起的作用口1 世界的发展趋势是人类将进入高度信息化的社会，同时对生活质量和健康水 平的追求也会更高。另外，地球存在非常严重的问题：环境污染已经到了不可容 忍的地步；人口的极度膨胀使地球能提供的清洁淡水日趋紧张，提供食物的可耕 地已经达到不堪重负的境地；更为严重的是，陆地可开采的资源在2 l 世纪面临 着枯竭和短缺，社会将会陷入能源危机和原材料匮乏。这些情况无疑使复合材料 的发展面临很大的机遇和挑战。因此，复合材料要在信息技术服务，提高人类生 活质量，解决资源短缺和能源危机，以及治理环境污染等方面作出极大的作用。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 第二节金属基复合材料 1 2 1 金属基复合材料的定义及其特点 复合材料是两种和两种以上物理和化学性质不同的，按适当形式排列分布的 相组成的材料，它具有任意组分单独存在时没有的特性，通常一个相为基体，其 中分布着增强相，基体组分为连续相，如果基体组分为金属，则这样的复合材料 称为金属基复合材料( m m c ) 嘲。 金属基复合材料是以金属及其合金为基体制备成的，因此它具有与金属及其 合金相近的一些性能特点，但由于增强体材料的不同，且在制备工艺上的差别， 使得金属基复合材料有了一些共同的和独特的优点，金属基复合材料的共同性能 特点如下； ( 1 ) 高比强度，比模量； ( 2 ) 高韧性和高冲击性能； ( 3 ) 对温度变化和热冲击的敏感性低； ( 4 ) 表面耐久性好，表面缺陷敏感性低； ( 5 ) 导热，导电性能好； ( 6 ) 热膨胀系数小、尺寸稳定性好； ( 7 ) 良好的高温性能； ( 8 ) 耐磨性好； ( 9 ) 良好的疲劳性能和断裂韧性； ( 1 0 ) 不吸潮、不老化、气密性好。 1 2 2 金属基复合材料的分类 金属基复合材料的增强材料形态是多种多样的，按照增强材料的形态可以把 金属基复合材料分为三类【7 8 1 ： 1 连续纤维或薄片增强m m c s 这类复合材料的增强材料包括长的连续纤维，如硼纤维，碳化硅纤维，氧化 铝纤维。碳纤维与石墨纤维等，典型的复合材料有连续硼纤维或碳化硅纤维增强 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 铝基或钛基复合材料，连续碳纤维增强铝基或铜基复合材料。其中增强材料绝大 多数是承载组分，金属基体主要是起粘结纤维，传递应力的作用，大都选用工艺 性能较好的金属，常作为结构材料使用。 2 短纤维或晶须增强m m c s 这类复合材料的增强材料有短纤维( 如氧化铝纤维、碳和石墨纤维) ，晶须 ( 如：碳化硅晶须、氮化硅晶须、碳化硼晶须) ，典型的复合材料有氧化铝纤维 增强铝基，碳纤维增强铜基，碳化硅晶须增强铝基、镁基、钛基复合材料。 如果增强纤维的长度大大小于复合材料的长度我们就称之为短纤维。短纤维 在材料中的存在是不连续的，是一种非连续增强体。这种复合材料的增强体有短 纤维( 如：氧化铝纤维、碳纤维、玻璃纤维等) ，晶须( 如：碳化硅晶须、氮化 硅晶须等) 。其中，短纤维的临界长度可由下面的公式得出： ，r l = 兰d ( 1 1 ) n ， 其中，盯，为纤维的拉伸强度，d 为纤维的直径，f ，为基体的剪切屈服强度。 3 颗粒增强燃s 用以改善金属基体材料性能的颗粒状材料，可以制造金属基复合材料，使材 料的力学性能得到改善，这类复合材料主要是基体承受载荷。颗粒在基体中高度 分散，在不同的基体中所起的作用也不完全相同。复合材料的增强颗粒种类很多， 使用较多的有：铁、钴、镍、二氧化硅、碳化硅、碳黑等。一种既有陶瓷的高硬 度、优良的耐热性，又有金属的耐冲击性的金属陶瓷就是以金属为基体，与耐热 性好、硬度高的金属氧化物、碳化物、氮化物颗粒复合在一起的复合物。 1 2 3 金属基复合材料制备工艺的研究及探讨 1 2 3 1 金属基复合材料制造的难点及解决途径 由于金属固有的物理和化学特性，使金属基复合材料在制造上存在一些技术 上的困难，需要采取一些特殊的措施解决，分析如下【l o 】： ( 1 ) 为了保证金属基体有足够的流动性，使之充分渗透到增强材料之间的 问隙中并与之结合，需要高的制造温度，而在高的制造温度下基体和增强材料之 间容易发生界面反应，也可能氧化生成有害的反应产物。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 ( 2 ) 金属基体和增强材料之间浸润性差，甚至在制造温度下完全不浸润， 使得金属基体和增强材料之间结合力差，影响复合材料的性能。 ( 3 ) 将增强材料按设计要求的含量、方向均匀地分布在基体中是金属基复 合材料制造中的另一个困难。 克服以上困难的主要途径如下： ( 1 ) 增强材料的表面处理。就是在增强材料表面覆以薄的涂层是防止和抑 制界面反应，获得合适界面结构和结合强度，是改善增强材料和基体之间润湿性 的有效途径。 ( 2 ) 加入合金元素，优化基体成分。合金元素的加入除了可以改善液态金 属和固态增强材料之间的润湿性，防止或缓解界面反应外，还能保持基体原有的 强度和韧性，优化界面结构。 ( 3 ) 优化工艺参数和工艺方法。金属基复合材料制备时的诸多工艺参数中 最重要的是温度，控制适当的温度或温度虽然较高，但尽量缩短基体与增强材料 在高温下接触的时间，都能将界面反应减小到最低程度。温度较低时基体对增强 材料之间的润湿性问题可由适当提高工作压力的方法得到解决。采取这些措施往 往不必对增强材料进行预处理便可以解决润湿性和防止过分界面反应的问题。 1 2 3 2 金属基复合材料的主要制备工艺 金属基复合材料的制备工艺方式，工艺过程以及工艺参数对金属基复合材料 的性能有很大的影响，金属基复合材料的工艺研究主要有以下五个方面【】： 1 金属基体与增强体材料的结合方式和结合性。 2 金属机体，增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制。 3 增强材料( 相) 在金属基体中的均匀分布。 4 防止纤维在制备工艺过程中的损伤。 5 优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。 通过对金属基复合材料制备工艺和加工方法的研究，寻求适用于金属基复合 材料的制备工艺。表1 一l 列出了目前常用的金属基复合材料的制备工艺方法l l 册。 根据各种制备方法的基本特点，主要把金属基复合材料的制备工艺分为四大 类，即固态法，液态法，沉积法，原位法。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 表卜1常用金属基复合材料的制各工艺 t a b 1 1t e c h i c sf l o wo ff a b r i c a t i n gm e t a l - b a s e dc o m p o s i t e 1 固态法 金属基复合材料的固态制备工艺主要为粉末冶金法和固态扩散法两种。将金 属粉末或金属箔与增强物( 纤维、晶须、颗粒等) 按设计要求以一定的含量、分 布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合粘结在一 起，形成复合材料。这种制各工艺称为固态复合成型工艺。整个工艺过程处于较 低的温度，金属基体与增强物均处于固体状态，金属与增强物之间的界面反应不 严重。 ( 1 ) 粉末冶金法 粉末冶金法是将金属粉末充满在排列规整或无规取向的短纤维或晶须中，然 后进行烧结或挤压成型。在制造短纤维复合材料中，粉末冶金的方法用的最多， 大致上分为两种，热压法和冷压成型、烧结法。 热压是把成型和烧结同时进行的一种工艺，把混合料装在模腔内，在加压的 同时，是温度升到正常的烧结温度( 或稍低一些的温度) ，在短时阋内获得均匀 致密的材料。 冷压成型、烧结法是在常温下把粉末加工成坯体，然后在用稍低于熔点的温 度烧结的工艺，由于冷压烧结工艺过程易于掌握和控制，对温度的要求不高，特 别适合大规模自动化的生产。 目前，粉末冶金法是一种比较成熟的工艺方法，合金粉末和增强物可以按所 需要的任何比例混合，主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料，以制 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 造各种尺寸精密的粉末冶金零件。粉末冶金法制备金属基复合材料具有以下优 点： 1 烧结或热等静压的温度低于金属的熔点，可以减少因高温引起的增强材 料与金属基体的界面上的反应，同时还可以通过烧结或热等静压的温度、压力和 时间等工艺参数的调整来控制界面反应。 2 可以根据所设计的金属基复合材料的性能要求，使增强材料( 纤维、颗 粒或晶须) 与基体金属粉以任意比例混合，纤维含量最高可达7 5 ，颗粒可达 5 0 以上。 3 可以降低增强体与基体相互润湿的要求，也降低增强体与基体的密度差 的要求，能使颗粒或短纤维均匀分布在金属基复合材料中。 4 粉末冶金法制备的金属基复合材料可以通过传统的金属加工方法进行二 次加工，进一步提高性能和尺寸精度。 ( 2 ) 固态扩散法 固态扩散法是将固态的纤维与金属基体适当组合，在加压加热条件下使它们 互相扩散结合成复合材料的方法。这种工艺的优点是可适用于广泛的金属基体， 而且可控制纤维取向和体积分数；缺点是制造时间较长，需要高的温度和压力， 只能制造尺度有限的试样。 2 液态法 液态法是指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法。 主要包括真空压力浸润法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉 积法、热喷涂法等。 ( 1 ) 真空压力浸渍法 真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强 材料的预制件中，制备金属基复合材料零件的一种方法。熔体进入预制件有三种 方式：即底部压入式、顶部压入式、顶部注入式。 ( 2 ) 挤压铸造法 挤压铸造法是通过压铸机将液态金属强行压入增强材料预制件中以制造复 合材料的一种方法。其过程是：先将增强材料制成一定形状的预制件，经过干燥 预热后放入模具中，浇注入熔融金属，用压头加压，压力在7 0 l o o m p a 。液态 7 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 金属在压力下浸渗入预制件中，并在压力下凝固，制成接近最终形状和尺寸的零 件。 预制件的质量、模具的设计、预制件的预热温度、熔体温度、压力等参数的 控制是得到高性能复合材料的关键。 ( 3 ) 热喷涂法 根据热源的不同，热喷涂法分为等离子喷涂和氧一乙炔焰喷涂。其中等离子 喷涂虽然设备要求较高，但是由于工艺参数和气氛容易控制，因此在复合材料制 造上主要采用等离子喷涂法。 等离子喷涂是利用等离子弧的高温下将基体金属熔化后喷射到工件( 增强材 料) 上，冷却并沉积下来的一种复合方法。等离子喷涂适用于直径较粗的纤维单 丝，用等离子喷涂法可以制造耐热和耐磨的复合涂层。但是，等离子喷涂法不能 直接制成复合材料零件，只能制造预制片，且组织不够致密，必须进行二次加工。 ( 4 ) 其他液态制造法 液态金属搅拌铸造法，液态金属浸渍法，共喷沉积法等等。 3 瓶积法 制造金属基复合材料的沉积法是将纤维束的每根单丝沉积上构成复合材料 所需的基本材料，然后进行扩散粘结制成致密的复合材料。这种方法制得的复合 材料其微观结构比较均匀，界面粘结的程度容易控制，在沉积基体前能在纤维上 形成界面扩散阻挡层和良好的涂层，或形成组分梯度变化的界面；可以制造纤维 缠绕的薄的单层带，它们比其它先驱体更容易加工或制成结构形状，容易制造单 项或交叉铺层的复合材料。沉积法包括以下工艺：电镀，喷涂，电化学气相沉积 ( c v d ) 、物理气相沉积( c v d ) ，浸涂等。 4 原位法 原位法，就是指原位生成增强相的方法。复合材料由适当的起始合金，例 如：c o - n b c ，n i - t i c 等一次制成。可以避免金属基复合材料制备过程中增强材 料与金属基体之间的相容性问题。 1 2 4 金属基复合材料目前存在的问题 1 2 4 1 在力学上存在的问题【1 3 1 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 以往对复合材料力学性能的研究大都是建立在连续介质力学的理论基础上， 属宏观力学。但实际上，复合材料的结构与连续介质的模型偏离很远，建立的很 多模型并不能很好地描述复合材料的力学行为。由于复合材料结构复杂，应考虑 随机和统计的概念，而且其力学性能受工艺、环境及原材料性能影响很大，因此， 要建立严格的力学模型和数学模型困难很大，只能采取由实验结果寻找经验关系 的方法来研究，将来或许可利用模糊数学的概念来解决复合材料的力学问题。 1 2 4 2 金属基复合材料的界面问题【1 4 】 界面是多种复合材料中既重要又复杂的关键问题，也是一直困扰本金属复合 材料领域研究者的重大问题，复合材料中增强相与基体的界面强烈地影响着材料 的物理性能和机械性能。对于复合材料来说，不同材料的良好复合应该有适当匹 配的热扩散，其中扩散系数是表征物质扩散能力和热物理化学性能的重要参量。 研究界面扩散和扩散系数传统的方法是把含界面的样品按不同的距离逐层剥离 下来，而后用化学分析或光谱分析的方法剖析分离物样的浓度。这样的方法相当 繁琐，而且仍然是以平均成分代替真实成分，也不能微观和精确。因此，界面的 研究成为材料科学中普遍而重要的问题。 1 2 4 3 热疲劳问题 金属基复合材料及涂层技术的发展，赋予材料高的耐磨、耐蚀性及抗高温氧 化性，但对于在高温、高压环境下工作的零部件，由于在使用过程中受温度急剧 变化而易产生热疲劳破坏，这就要求对这些新材料的热疲劳性能进行研究。 l a g e r p u i s t ”1 对w c c o 复合材料进行了热疲劳裂纹扩展的研究，结果指出其机理 主要是w c 晶粒与c o 粘结相之间的热膨胀系数有很大差异，而引起高应力，导 致裂纹萌生与扩展，疲劳裂纹优先在w c - c o 晶界和w c - c o 相界上扩展。明文 龙【1 5 1 等在研究t i ( c 姗基金属陶瓷热疲劳性能时，也提出了热疲劳裂纹具有沿相 界面开裂的特征。彭其凤【1 6 1 等对激光熔敷陶瓷涂层的热疲劳行为进行了研究， 发现陶瓷与钢的热膨胀系数差异及陶瓷内部微小裂纹的应力集中是陶瓷涂层热 疲劳破坏的主要原因。w c r e v e l o s 1 7 1 ，n c z e c h t l 8 1 等和刘北兴1 9 1 等则认为在热疲 劳过程中，随循环上限温度升高，循环数增加，热疲劳抗力明显降低。目前对涂 层材料热疲劳的研究多限定在定性分析，对其力学行为有待于人们迸一步研究。 由上述可知，金属基复合材料要在未来取得进一步的发展，并列入规模生产 9 兰，竹大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 品种的行列，还有一段艰难的路程，但是由于它性能优势的存在，是有明确发展 前景的。就当前的实际情况来看，短纤维增强复合材料是有生命力的，并已在汽 车工业等方面初步获得应用。它在提高材料性能与节材方面达到很好的结合，具 有广阔的应用前景。 第三节碳纤维增强金属基复合材料 1 3 1 短碳纤维增强铝基复合材料概述 目前用于复合材料的金属主要有铝、铜、钛、镍等。由于铝合金具有断裂韧 性高等良好的综合性能，强度高以及抗腐蚀性好，特别是它的低密度，将使材料 具有很高的比强度，这些优势使得铝合金在发展复合材料中倍受青睬。使用增强 用的纤维有硼纤维、碳化硅纤维、碳纤维及金属丝纤维等，硼纤维、碳化硅纤维 的直径大0 0 0 1 5 0 t t m ) ，复合特性好，工艺简单，但纤维制备困难，价格昂贵； 细直径的碳纤维，直径仅为6 - 8 1 t i n ，生产量大，成本低，具有高的比强度和比刚 度，特别近几年来，碳纤维的性能得到了突飞猛进的提高，碳纤维的极限强度已 达到了7 0 0 0 8 0 0 0 m p a ，抗拉强度两倍于标准型碳纤维，延伸率为2 ，模量从 2 3 0 g p a 提高到3 0 0 g p a 。伴随着这些高性能碳纤维的出现，以及因产量扩大而成 本的降低，碳纤维与铝的复合材料的研究受到广泛重视。它具有密度小、比强度、 比刚度高、耐磨性好、导电、导热性好、高温强度及高温下尺寸稳定性好等特点， 在许多领域特别是航天航空领域得到广泛应用。 1 3 2 短纤维增强金属基复合材料的增强机制 1 3 2 1 短纤维复合材料的应力分布 考虑长度为l 的短纤维嵌入在弹性模量较纤维低的基体上，假设纤维与基体 的界面粘接很好且界面很薄，当沿纤维方向时加一载荷时，那么施加到基体上的 应力将通过界面传递到纤维上，由于基体与纤维的弹性模量不同，因此产生的拉 伸应变不同，在纤维末端处纤维的应变将小于基体的应变。由于应变的差异，造 成纤维上的拉应力和界面上的剪应力分布的不同，在纤维末端的拉应力为零，界 面剪应力最大，在纤维的中点拉应力最大，界面剪应力几乎趋于零( 若纤维足够 i o 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 长) 。正是界面剪应力的变化( 称为剪切效应s h e a re f f e c t ) 才引起了纤维上拉 应力变化。 在弹性变形范围内，纤维上的拉应力o f = = 。e f ：随载荷的增加，基体的应变l n 增大，因此o f 也随之增大。当纤维长度至少等于l c 时，纤维上的拉应力才能达 到纤维的断裂强度。血。l c 称为临界纤维长度，它是使应力达到纤维断裂失效而 不是界面剪切失效的最短纤维长度。当纤维上的拉应力达到纤维的断裂强度。如 时：作用在纤维上的拉力为：嘶( 以2 4 ) ，作用在界面上的剪力为：x r i l c 2 ，t 为 界面的剪切应力。由力平衡，即o f u ( r 。d 2 4 ) = t x d l c 2 ，可求出临界纤维长度： l c = 确，d 2 f ( 1 2 ) r a = l c d = a f d 2 f ( i 3 ) 式中d 为纤维的直径，对应于k ，l c d 为临界长径比，称为r a ，则： = 2 t r a 2 0 1 ( 1 4 ) 此式适应于应力转递区，即从纤维端部到基体与纤维轴向应变相等的点，且 此处没有界面剪切应力处之间的区域。上式表明提高界面剪切应力t 和长径比 r a 都能提高增强效率，按此模型计算的不同界面剪切应力下的增强效率。如图 i - 1 所示，表明只有足够高的纤维长径比( 一般 5 0 ) 和足够的界面结合才能获 得很高的增强效率【2 l 】。 h ) d p _ u p _ u c h 幽 01 02 03 04 05 06 07 08 0 9 0 1 0 0 f i b e ra s p e c tr a d i o 图i - i 不同界面剪切应力下的增强效率 f i g 卜1e f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tf i b e ra s p e c tr a d i o l 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 0 o n o o o o q o 兰州大孥2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 l - 3 2 2 短纤维的增强机理 由于短纤维在基体中的分布是随机取向的，对于纤维来说，只有平行于拉伸 方向的分力对复合材料的拉伸强度有贡献，而垂直于拉伸方向的分力由于不承载 而对拉伸强度没有贡献。假设某一根纤维与拉伸轴所成的角度为8 。当纤维承载 时，该纤维对拉伸强度的贡献是o , - c o s 20 。如果所有纤维与拉伸方向所成的角度 在( 0 疗2 ) 内均匀分布，则这些纤维对拉伸强度的贡献为： = ( 盯，f c 0 $ 2a d o ) = 0 5 u f v ： ( 1 5 ) 因此复合材料的理论强度a 可表示为： 盯= + 吒( 1 一) = 0 5 c r ：+ ( 1 一吩) ( 1 6 ) 在复合材料断裂过程中，主要存在纤维桥联、纤维拔出和裂纹偏转三种增韧 机理。如果不考虑三种机理的耦合，而采用b e n g i s u 等人1 的叠加方法来评估纤 维增韧效果： ( 1 ) 纤维拔出造成应变能释放率的增加，增量a g 为： a g e = ( 4 v r r 2 露) ( 3 毋，2 ) ( 1 7 ) 式中f 为基体碳纤维剪切强度，r 纤维半径，k 为拔出长度。由于纤维是先 拔断后拔出，因此，f o r r ( 2 1 p ) 。纤维拔出造成的韧性增量酶为 a k p = ( g p + g i ) 层0 一咋2 ) 】尼一置卉 ( 1 8 ) 式中g 。= 以2 ( 1 - 圪2 ) e ，为基体的应变能释放率。 ( 2 ) 纤维桥联提供的增韧效果 k b a 吒= 【b 2 + 4 疋圪盯，2 i d s 0 一心2 ) e l l 咒一k ，) 2 ( 1 9 ) 式中脱粘纤维长度，v 。复合材料的泊松比，e c 和e f 分别为复合材料和 纤维的弹性模量l 。 ( 3 ) ( 1 9 ) 式是b e c h e r 等人例根据垂直于裂纹面单向排列的晶须推导出来的，没有 考虑晶须在三维空间的随机性。按复合材料强度的计算方式修正后得到： a i = ( k j + f c v , o f 2 i d a ( 1 - v 。2 ) f - , f m k 。 2 ( 1 1 0 ) 由于纤维的长径比大( 1 2 0 ，7 1 7 ) ，因此扩展裂纹遇到纤维后完全绕过纤维 进行偏转，实际上是很难发生的，一般是绕过纤维偏转一定距离后，纤维就断了。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 假设裂纹绕过纤维后形成一个高度为l 。的圆锥体，则裂纹偏转引起断口面积增 加，其相应的增韧效果为： j ，。，y = ( 形) ( ) 妒( 手) 2 州，s m 咿d p ( 1 式中y d 和y m 分别为偏转裂纹和未偏转裂纹的应变能释放率。 汹轰髟弘办 则由裂纹偏转造成的韧性增量硒为： 战。= ( _ 1 ) 如 ( 1 1 3 ) 因此复合材料断裂韧性理论值k l c * 为： 足站。= 足，+ a k ，+ a 瓦+ ( 1 1 4 ) 1 3 3 短碳纤维与基体的界面【2 5 】 界面问题一直是金属基复合材料的核心问题，特别是与铝这样的活泼金属的 复合。制造c i a i 复合材料最重要的问题是，当用液体渗入工艺时，只有在超过 1 0 0 0 c 以上时，铝才能润湿碳纤维，但在此温度下由于碳纤维与铝基体反应生成 a 1 4 c 3 化合物，破坏了碳纤维的性能，从而引起了复合材料性能的下降。解决这一 问题最一般的方法是用镀涂及气相沉积技术在碳纤维表面涂层，涂层的主要目的 是阻止纤维与基体间的反应，同时提高润湿性。为此，前人对碳纤维的金属涂层 和非金属涂层做了大量研究。 铜由于其化学性稳定、延展性好等特殊的性能，而被用于碳纤维的涂层。镀 铜碳纤维在高温下具有很好的强度保持率，也就是铜与碳纤维有良好的相客性， 因此铜可以作为碳纤维良好润湿性的金属镀层，研究指出镀铜碳纤维在8 0 0 c 以 上时，强度才略有下降，下降的原因是碳纤维的铜涂层随温度的升高发生球化、 碎裂，并伴有镀层的聚集增厚和粘连现象。铜的氧化物对纤维有一定程度的催化 氧化作用，在工艺上采取措施避免和减少铜的氧化物的形成，将有利于保持镀铜 碳纤维的高温强度。用x 射线衍射对经9 0 0 c 热扩散3 0 r a i n 后的c c u 复合丝进 行研究，结果表明c c u 界面既无化学反应，亦无扩散反应，c c u 界面是一种以 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 机械结合为主的物理结合。用镀c u 方法获得的复合材料的弯曲强度几乎达到了 镀n i 的两倍。因此，c u 涂层更适合于制造碳纤维增强铝合金复合材料。 1 3 4 碳纤维增强铝复合材料的应用与展望闭 碳纤维增强铝复合材料是金属基复合材料中研究较多、应用较广的种复合 材料。由于它具有密度小，比强度、比模量高，导电、导热性好，高温强度及高 温下尺寸稳定性好等优点，在许多领域特别是航天航空领域得到广泛应用。 碳( 石墨) 纤维增强铝基复合材料正因为具有多种优越性能，现已成为制造卫 星、航天飞机等构件的理想材料。用c a i 复合材料制成的导航系统和航天天线， 可有效地提高其精度；用碳纤维增强铝基复合材料制成的卫星抛物面天线骨架， 热膨胀系数低、导热性好，可在较大温度范围内保持其尺寸稳定，使卫星抛物面 天线的增益效率提高4 倍。d w a 公司用石墨纤维增强铝基复合材料为n a s a 和 l o c k h e e d 公司制造卫星的波导管。复合材料波导管不但轴向刚度高、膨胀系数 低、导电性能好，而且比原用石墨，环氧铝层复合制成的波导管还轻3 0 2 7 。 从涂层方面看，需继续寻找更合适的涂层，这种涂层不但能有效的阻挡铝合 金与碳纤维间的反应，能更好的被铝合金润湿以外，还应有较为简洁的制取工艺， 以利于制造。 从制造工艺方面看，低压铸造是发展方向。只要能很好的解决涂层问题，利 用低压铸造来制造碳纤维增强铝合金复合材料，可以获得高质量的复合材料，而 且工艺简单，具有批量生产的可行性。 第四节金属基复合材料的强化 影响材料强度的因素是多方面的。材料的强度的本质是内部质点间的结合 力。为了使材料实际强度提高到理论强度的数值，长期以来人们做了大量的研究。 总结起来有以下的几种常用的方法来来提高材料的强度。 1 4 1 冷变形强化1 冷变形强化亦称冷作硬化，金属材料在再结晶温度以下的变形称冷变形。原 1 4 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 因是：冷变形时金属内部位错密度增大，而且位错互相缠结，并形成胞状结构， 阻碍位错运动，使不能移动的位错数量剧增，以致需要更大的应力才能使位错克 服阻碍而运动。变形度越大，上述情况越严重，则材料的变形抗力越大，强度越 高。冷变形后材料即被强化，强化的程度随变形度、变形温度及材料本身的性质 丽不同。同一材料在同一温度下冷变形时，变形度越大则强度越高，但塑性随变 形程度的增加而降低。变形强化受到合金塑性的限制，当变形度高到一定程度后， 合金会出现开裂，使材料报废。冷变形强化使用于工业纯材，固溶体型合金及不 能用热处理强化的多相合金。 1 4 - 2 固溶强化 合金元素固溶到基体金属( 溶剂) 中形成固溶体时，合金的强度、硬度一般 都会得到提高，称为固溶强化。合金进行固溶强化时，不但强度、硬度得以提高。 同时塑性还能保持在良好的水平上。 含金元素溶入基体金属后，晶格发生畸变。畸变所产生的应力场与位错周围 的弹性应力场交互作用，使合金元素的原子聚集到位错线附近，形成所谓“气团”， 位错要运动就必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起移动，或者从气团中挣脱 出来，因而需要更大的切应力。另外，合金元素的原子还会改变固溶体的弹性常 数、扩散系数、内聚力和原予的排列缺陷，使位错线变弯，使位错运动阻力增大， 从而使材料得以强化。 1 4 3 细化组织强化 细化组织，对单相合金说是指晶粒细化，对多相合金说是指基体相晶粒的细 化及过剩相的细化。细化组织可以提高材料在室温下的强度、塑性和韧性，是金 属材料常用的强韧化方法之一。 晶界上原予排列错乱，杂质富集，并有大量的位错、孔洞等缺陷，而且晶界 两侧的晶粒位向不同，所有这些都阻碍位错从一个晶粒向另一个晶粒的运动。晶 粒越细，单位体积内的晶界面积就越大，对位错运动的阻力也越大，因而合金的 强度越高。 可采用变质处理方法对晶粒进行细化。在熔炼浇注时，采用避免金属熔液过 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 热、搅动、降低浇注温度、增大冷速等措施，也可以获得细晶粒铸件。对于变形 合金的组织细化，一般采用变形及再结晶退火的方法。 1 4 4 过剩相强化 过量的合金元素加入到基体金属去，一部分溶入固溶体，超过极限溶解度的 部分则不能溶入，形成过剩的第二相。过剩相( 第二相) 对合金一般都有强化作 用，其强化效果与过剩相本身的性能有关，过剩相的强度、硬度越高，强化效果 越大。强化效果还与过剩相的形态、大小、数量、分布和与基体相之间的界面有 关。当第二相呈等轴状、细小和均匀分布时，强化效果最好。但硬脆的过剩相含 量过高时，合金变脆，机械性能反而降低。 1 4 5 沉淀强化 在固溶度随温度降低而减小的合金系中，当合金元素含量超过一定限度后， 淬火可获得过饱和固溶体。在较低的温度加热( 即时效) ，过饱和固溶体发生分 解，析出弥散相，并引起合金的强化，称为沉淀强化。沉淀强化的效果决定于合 金的成分、淬火后固溶体的过饱和度、强化相的特性、分布及弥散度以及热处理 制度等因素。 过饱和固溶体的分解要经过个过程，一般来说，开始是溶质元素扩散、偏 聚、形成无数溶质元素富集的亚显微区域，称为g p 区( 与母相完全共格) ，随 着时效时间的延长，或时效温度的升高，g p 区长大为过渡相( 一种具有中间过 渡和母相共格或半共格的晶体结构) ，而后才形成析出相( 具有独立的非共格的 晶体结构) 例如a l - c u 合金，存在以下的析出贯序： o 过帅一g - p 区一0 ”过渡相一o 过渡相一。稳定相 总之，。材料强化有两种原理上根本不同的途径。一种是尽量增加晶体缺陷， 以阻碍位错运动，抑制位错源的活动，上面所讲的各种强化方法都属于此种类型， 还有一种途径是尽可能地减少晶体中的位错及其他缺陷，使晶体接近于理想的完 整状态。此时，材料变形不能依靠位错运动，滑移面上所有原子必须同时移动， 这需要很大的切应力，因而材料具有很高的强度。 1 6 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 第五节金属基复合材料的磨损 材料的磨损是由于摩擦力( 及与摩擦力有关系的介质、温度等) 的作用使其 发生形状、尺寸、组织、性能变化的过程。磨损是材料的重要