Cf-Al復合材料界面顯微組織和缺陷的形成與演化機制研究.pdf

1、本文針對大氣下存放8年的Cf/Al復合材料構件的腐蝕與未腐蝕區(qū)域,觀察其顯微組織和缺陷,通過對工藝過程分析和試驗再現驗證,分析顯微組織和缺陷的形成,得到復合材料顯微組織與制備工藝的相關關系,這對于利用工藝方法低成本、高效率地提高復合材料性能具有重要的科學意義和工程價值。
　　對Cf/Al復合材料構件不同區(qū)域的形貌和微觀組織觀察及物相分析表明,界面反應產物 Al4C3和縮孔縮松缺陷含量的不同造成復合材料構件呈現不同損傷特性。對構件不

2、同區(qū)域制備過程的溫度特征的計算表明,Al4C3和縮孔縮松缺陷的產生與鑄造溫度和冷卻過程有關。
　　根據計算結果,設計了驗證試驗,研究鑄造溫度和冷卻過程對Al4C3形成的影響。鑄造溫度選取670℃、700℃和750℃,結果顯示隨鑄造溫度升高, Cf/Al復合材料界面反應迅速增加,Al4C3相的尺寸增大、長徑比減小,含量與溫度基本滿足指數關系。由于對冷卻速度的控制難度較大,對制備的復合材料進行高溫停留試驗模擬冷卻過程,研究冷卻過程中的

3、溫度和時間對界面反應的影響。結果顯示:550℃保溫處理界面反應不明顯,這是由于 M40J碳纖維石墨化度較高,對碳原子的束縛力增大,降低碳向鋁中的擴散;并且微晶沿纖維軸向排列的取向性高,易于形核的微晶邊緣減少,因而需要在更高的溫度下才能明顯反應;600℃時 Al4C3的增加速度呈現先快后減慢,這可能是由于纖維表面易于形核位置減少,Al4C3尺寸增加使碳原子難以擴散通過至反應前沿;640℃時溫度給形核提供足夠高的能量,使形核位置不再局限于微

4、晶邊緣和缺陷等,另外溫度的升高使碳原子的擴散能力大大增加,因而隨保溫時間增加, Al4C3的含量持續(xù)線性增加。
　　結合高溫停留試驗結果,運用熱力學和動力學理論分析不同溫度下界面反應的可行性和反應速率。熱力學計算表明,理論上200～1200K界面反應均可發(fā)生;動力學計算表明,M40J/6061Al復合材料中,溫度低于840K時擴散速率常數幾乎為零,可認為不發(fā)生界面反應;860K后擴散速率常數迅速增加,因而在Cf/Al復合材料制備過