碳纤维增强铝基复合材料

碳纤维增强铝基复合材料•1概述•2Cf／Al复合材料的显微组织•3Cf／Al复合材料的性能•4Cf／Al复合材料的制造工艺•5Cf／Al复合材料的界面研究•6发展趋势和展望介绍内容1概述目前，金属基复合材料(MMCs)的基体主要发展了有铝基、镁基、钛基、高温合金基、铜基等类型，由于铝合金具有断裂韧性高、高强度、优良的抗腐蚀性、低密度等良好的综合性能，使得铝合金在复合材料的发展中倍受青睐。因此铝基发展最快并成为当前金属基复合材料发展和研究工作的主流。其主要应用领域一是航空、航天和军事领域，二是汽车、电子信息和高速机械等民用领域。电子封装用铝基复合材料高强铝基复合材料电缆桥架1概述铝基复合材料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。其中Cf/Al复合材料具有高比强度、高比刚度、低热膨胀、良好的尺寸稳定性等优异的性能，倍受航空航天部门的关注。国外已有其在卫星波导管、天线骨架、卫星桁架等对重量、强度、刚度要求很高的航天、航空部件应用的报导。特别是近几年来,伴随着高性能碳纤维的出现，以及因产量扩大而成本的降低，碳纤维铝基复合材料的研究受到广泛重视。2Cf／Al复合材料的显微组织（a）径向平面为100的图片（b）轴向平面为1000的图片挤压铸造法制造的Cf/Al复合材料在光学显微镜下的金相照片上图表明：①碳纤维在铝基中分布均匀，材料组织均匀致密，没有渗透气孔残留的迹象。②显微组织图还显示了预成型纤维之间优良纤维的长度和直径，纤维直径大约10微米。③这种组织特点将使纤维均匀承载，同时基体会将载荷有效地传递给纤维，从而得到较理想的性能。SEM断口形貌分析A.铝基合金断口韧窝细密，显示了合金的良好塑性；B.碳纤维和铝基合金牢固地结合在一起，显示了合金的良好润湿性。2Cf／Al复合材料的显微组织3性能--力学性能Cf/Al复合材料是一种轻质高强的材料。采用压力浸渗法制备的Cf/Al复合材料的密度为2.1～2.2g/cm3，比钛合金轻一倍。而高强度是Cf/Al复合材料的最重要的性能特点之一。左图列出了Cf/Al复合材料与其他传统材料的比强度和比模量的对比。可见，Cf/Al的比强度最高，是钢的6倍，为钛合金和铝合金的3～3．5倍。比模量是钢、铝合金和钛合金的3倍以上，而与其它复合材料相比也要高出1倍以上。Cf/Al复合材料这种优异的轻质高强的材料特性为航天结构轻量化、高精度提供重要的技术保障。3性能--尺寸稳定性上图为用冷热冲击法对Cf/Al进行检测后的试验结果，可以看出：随着冷热循环次数的增加，尺寸变化趋于恒值，说明Cf/Al复合材料具有优异的尺寸稳定性。3性能--空间环境耐候性若Cf/Al复合材料应用在航空航天领域，那复合材料无可避免的要在空间飞行中经受如超高真空度、高低温交变冲击、带电粒子照、紫外辐照等环境的损伤，开展空间环境条件对复合材料性能影响的分析对航天结构设计，充分发挥复合材料的优异性能具有十分重要的现实意义。3性能--空间环境耐候性通过对Cf/Al复合材料的在带电粒子辐照条件下的行为进行研究，发现Cf/Al复合材料在空间条件下，性能稳定。上图为对复合材料带电粒子辐照前后的性能对比，发现辐照后的材料性能变化很小，在测试误差之内。A带电粒子辐照条件下的材料行为3性能--空间环境耐候性在低轨道中，由于地球自转，航天器不断经受太阳直射和处于太阳阴影里，对航天器造成冷热交变的环境。对Cf/Al复合材料分别在-40℃，20℃和100℃温度下拉伸强度和弹性模量进行了测试，结果如下表，试验证明，复合材料的性能在-40℃到100℃温度范围内变化不大，强度变化范围在±5％以内，弹性模量变化范围在±3％以内。B高低温环境下的材料强度4制造工艺碳纤维增强铝合金的制造方法有三种，分别是固相法、粉末冶金法和挤压铸造法。①粉末冶金法粉末冶金法是预先将短纤维与基体粉末制成淤浆状并加以混合,而后经成型干燥热压,制成纤维增强金属。②扩散结合,热压法(固相法)在扩散结合法中,通过纤维前处理首先制作中间原料,然后将这些中间原料重叠起来,在真空中加热,可得纤维增强金属,该方法利用了金属的塑性变形和自身扩散作用,可得质量较好的碳纤维增强铝合金复合材料。4制造工艺③挤压铸造挤压铸造,将纤维的预成型体放入金属模中,适当加热,加压浸入熔化的基体金属,在高压下令其凝固,从而得到形状复杂的复合材料,此法周期短,能制造纤维增强金属的机械零件,生产效率很高。在此法中,金属熔化,如温度条件选择不妥,熔化的基体金属有时会损伤纤维。挤压铸造法在三种方法中是一种最具有发展潜力的工艺方法。挤压铸造装置图4制造工艺虽然液态法制造工艺简单、成本低，但也存在一些问题：A、目前所采用的压力都很高，一般为3～100MPa，许多研究者针对高压铸造易损伤碳纤维的缺点,倾向于低压铸造。B、当采用液体渗入工艺时,只有在超过1000℃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Al4C3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。5界面研究A金属涂层对界面的影响纤维和基体之间的界面粘结性是提高纤维增强复合材料性能的关键之一。在使用金属涂层时,除使涂层既能阻止纤维与基体的反应,又能提高润湿性外,还应使界面有一定的结合力,以便能有效地传递载荷。①镍涂层的影响镍涂层虽然可以改善铝对碳纤维表面的润湿性,但由于镍易促进碳纤维的石墨化及NiAl3脆性相的形成,作为单涂层时,它并不是理想的涂层。Ni—一种白色金属镍涂层碳纤维5界面研究②铜涂层的研究铜与碳纤维有良好的相容性，可以作为碳纤维良好润湿性的金属镀层。镀铜碳纤维的高温强度较好。另外，用X射线衍射对经900℃热扩散30min后的C/Cu复合丝进行研究,结果表明C/Cu界面既无化学反应,亦无扩散反应,C/Cu界面是一种以机械结合为主的物理结合。用镀Cu方法获得的复合材料的弯曲强度几乎达到了镀Ni的两倍。因此,Cu涂层更适合于制造碳纤维增强铝合金复合材料。化学镀铜后碳纤维表面形态电镀铜后碳纤维表面形态5界面研究B非金属涂层为了提高碳纤维与铝的润湿性及有效地阻止碳与铝之间的关系,人们对多种非金属涂层做了大量研究。其中较为成功的涂层是Ti-B涂层,这种涂层对液态铝有很好的润湿性,但它不能有效的阻止碳纤维和铝之间的反应,而且整个过程必须惰性气氛中进行。而陶瓷涂层虽然能够阻挡碳纤维与铝之间的反应,但不能有效地改善碳纤维和铝的润湿性。6发展趋势与展望①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之间的反应,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。②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。③可以预料,在现代工业的高速发展和技术水平的高要求下,Cf/Al复合材料必将以其独特优势在工业领域（尤其是航空航天领域）占据重要位置。但同时也应看到,Cf/Al复合材料在未来的时间里要取得更进一步发展,并列入规模化生产的行列,还需要进行更多的探索和实践。