论文部分内容阅读
本文以M40和M55碳纤维为增强体采用压力浸渗工艺制备了C f/Mg复合材料。首先,研究了合金元素对C f/Mg复合材料渗透性的影响。其次,采用扫描和透射电子显微研究了热处理前后复合材料的的显微组织和界面结构,表征了复合材料的力学性能和热物理性能,分析了显微组织和性能的相互关系。最后研究了C f/Mg复合材料的车削、铣削和钻削等机械加工。研究表明,在纯镁基体中加入Al元素增加熔体在碳纤维中的渗透性,而加入Y元素则会降低渗透性,AZ91镁合金是最适合压力浸渗工艺的基体合金。成功制备出性能良好,碳纤维体积分数为60%的M40/AZ91和M55/AZ91复合材料。其密度分别为1.77g/cm3、1.83g/cm3。弹性模量分别高达139GPa、177GPa,抗弯强度达到1300MPa以上。显微组织研究发现,在两种复合材料碳纤维和基体的界面处发现了四种相,分别为2μm左右大小的Mg-Al相,1μm左右大小的Al-Mn相,500nm左右大小的Al-Zn相和长径比在5到15之间的Al4C3相。其中Mg-Al、Al-Mn和Al-Zn相为粗大第二相,对复合材料的力学性能具有不利影响。固溶热处理能够改变C f/Mg界面层,不仅使粗大的Mg17Al12消失,而且在碳纤维表面形成了一层MgO,导致复合材料性能显著提升。时效后使Mg17Al12重新在碳纤维表面析出,导致了材料力学性能的有所下降,充分证明界面处的Mg17Al12对力学性能是有害的。M40/AZ91复合材料在50200℃区间的平均热膨胀系数为1.12×10-6 K-1,是AZ91镁合金的1/25,热稳定性得到极大的提高。固溶热处理使C f/Mg复合材料的残余应力升高,导致热膨胀系数降低到0.21×10-6 K-1,时效后其残余应力降低,热膨胀系数升高到1.31×10-6 K-1。利用等应变模型计算的C f/Mg复合材料的热膨胀系数大于实际值,因为该模型没有考虑残余应力,对该模型进行修正后成功预测了固溶样的热膨胀系数。M40/AZ91和M55/AZ91复合材料的纵向热导率分别为35W/（m·K）、48 W/（m·K）,横向热导率分别为9 W/（m·K）、14 W/（m·K）,可见复合材料热导率具有明显的各向异性。使用模型计算了C f/Mg复合材料的纵横向热导率,发现其计算值均大于实际值,通过计算证明了碳纤维热导率是各向异性而非各向同性。提升温度使得C f/Mg复合材料残余应力降低,基体溶质原子对电子散射作用增大,导致其纵横向热导率均增大。固溶热处理使C f/Mg复合材料界面热阻增加,导致横向热导率降低。因为纵向热导率受界面热阻影响较小,所以固溶热处理对纵向热导率影响较小。使用传统镁铝合金的机械加工参数对复合材料进行加工,车削和铣削后的表面质量较好,没有宏观缺陷。但经过钻削之后的表面质量较差,钻削的入口边缘出现材料挤出,出口边缘出现材料分层。于是对钻削方案进行改进:将高速钢钻头换为硬质合金钻头,减少了材料挤出缺陷的发生。采用双材料叠加钻削的方式避免了材料分层缺陷的产生。将车削、铣削和钻削后的复合材料表面放在扫描电镜下观察,发现其表面均被一层合金涂覆在上面,涂覆合金中含有切削掉落的碳纤维碎块。车削、铣削和钻削使材料内层产生缺陷,深度在80μm以下。这种深度的裂纹没有明显降低复合材料的力学性能。