Cf-Mg復(fù)合材料組織和力學(xué)性能及熱膨脹二維各向同性設(shè)計(jì).pdf

1、本文以航空航天結(jié)構(gòu)材料為研究背景，設(shè)計(jì)制備了Cf/Mg復(fù)合材料。利用金相顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、能譜儀(EDX)、電子拉伸試驗(yàn)機(jī)和熱膨脹儀等分析測試手段，對復(fù)合材料的微觀組織及性能進(jìn)行了研究。分析界面類型、界面結(jié)合對Cf/Mg復(fù)合材料力學(xué)性能及熱膨脹行為的影響機(jī)理。并在總結(jié)單向復(fù)合材料性能各向異性規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，二維平面內(nèi)各向同性設(shè)計(jì)方法。
　　Cf/A

2、Z91D復(fù)合材料界面反應(yīng)物Al4C3及界面析出物Mg17Al12的數(shù)量隨著纖維石墨化程度升高而下降。Cf/ZM6復(fù)合材料中，基體合金元素Nd向界面偏聚，并在纖維表面形成塊狀 Mg12Nd相，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。同時由于界面析出消耗附近基體中的Nd元素，導(dǎo)致近界面的鎂合金中形成無析出區(qū)。退火處理使Cf/Mg復(fù)合材料的基體合金中形成亞晶；T6處理使界面反應(yīng)物數(shù)量增多、界面析出相尺寸增加，并使基體中位錯密度上升。
　　在碳纖維中混雜SiC

3、顆粒后，SiC-AZ91D界面處形成塊狀 Mg17Al12；在SiC-ZM6界面處形成羽毛狀NdSi2，Mg17Al12和NdSi2改善增強(qiáng)體與鎂合金的潤濕性，進(jìn)而提高復(fù)合材料力學(xué)性能，降低橫向熱膨脹系數(shù)。
　　從T300、T700到M40纖維，對應(yīng)石墨化程度不斷升高，此時Cf/Mg復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度逐漸由10.5MPa降低到6.65MPa。而復(fù)合材料的強(qiáng)度隨界面結(jié)合強(qiáng)度降低而升高，拉伸強(qiáng)度從381MPa上升到1267MPa，拉

4、伸模量在219~241GPa之間；彎曲強(qiáng)度從896MPa升高到1629MPa，彎曲模量在206~226GPa之間。Cf/Mg復(fù)合材料具有較好的高溫強(qiáng)度，在300℃以下，彎曲強(qiáng)度受溫度影響較小，為1200～1536MPa；當(dāng)溫度超過300℃則開始急劇下降。
　　單向Cf/Mg復(fù)合材料沿纖維方向的熱應(yīng)變，隨著溫度升高呈現(xiàn)非線性增加。在中溫區(qū)由于基體合金發(fā)生微塑性變形，以及由界面滑移導(dǎo)致的熱應(yīng)力松弛使膨脹曲線出現(xiàn)明顯的平臺。隨溫度升高和

5、纖維石墨化程度提高，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)降低。選擇含稀土鎂合金作為基體，或是對復(fù)合材料進(jìn)行 T6處理都可以降低熱膨脹系數(shù)。
　　Cf/Mg復(fù)合材料在熱循環(huán)過程中，由于熱應(yīng)力的作用而出現(xiàn)明顯的應(yīng)變滯后現(xiàn)象，并且由于基體合金的微塑性變形，導(dǎo)致復(fù)合材料在每次熱循環(huán)結(jié)束后存在殘余塑性變形。選擇含稀土鎂合金制備復(fù)合材料或是對復(fù)合材料進(jìn)行 T6處理均可降低殘余塑性變形。
　　本文將 Schapery公式進(jìn)行修正，可準(zhǔn)確計(jì)算連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金

6、屬基復(fù)合材料橫向及縱向的熱膨脹系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出計(jì)算混雜增強(qiáng)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的方法。在分析纖維排列方式對復(fù)合材料各向異性影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，基于修正的Schapery理論，建立了Cf/Mg復(fù)合材料二維各向同性設(shè)計(jì)方法，通過該方法計(jì)算得到滿足二維平面內(nèi)各向同性要求的纖維排列方式，以此為理論基礎(chǔ)采用壓力浸滲法制備出準(zhǔn)各向同性2D-Cf/Mg復(fù)合材料。對其顯微組織、熱膨脹及力學(xué)性能進(jìn)行研究表明，2D-Cf/Mg復(fù)合材料基本性能具有明顯的各