随着我国油气井钻探及科学钻探深度的不断拓展,对钻杆的要求也越来越高,传统G105、S135等型号钢钻杆因自重大、有磁性、耐腐蚀性能差等局限性无法完全满足超深井及特深井钻探工程的需求。过去几十年来,铝合金钻杆因其密度低、比强度高、耐酸腐蚀性能好等优点逐步赢得业内人士的青睐,并已经在美国、俄罗斯等工业发达国家形成一些列产品,被广泛应用于超深井、大位移井等高难钻井作业中。然而,铝合金材料的软化温度较低,在高温下其力学性能衰退明显,容易导致钻杆在深部高温地层的过早失效,这很大程度上限制了铝合金钻杆的应用与推广。本文面向超深井油气钻探和科学钻探对轻质、耐高温钻杆材料的需求,在现有2024铝合金钻杆材料的基础上,利用碳纤维本身高强度、热稳定性能好的特性,研究碳纤维增强铝基复合材料的强韧化机理,为研制新一代轻质高强耐高温碳纤维铝基复合材料钻杆提供理论依据。本文首先利用粉末冶金法制备了小含量的短碳纤维增强2024 Al基（SCFs/2024 Al）复合材料,微观组织观察表明,碳纤维在基体中随机分布,无明显方向性。在碳纤维和Al基体的界面处观察到较为剧烈的界面反应,伴有Al₄C₃界面产物生成,在界面处还可以观察到Al₂Cu和富Mn相的偏析,且随着环境温度的升高,各个界面产物均出现粗化现象。碳纤维的加入可以有效提高SCFs/2024 Al复合材料的整体硬度,并且对碳纤维周围基体的硬度和模量的提升最为明显,纳米压痕试验结果表明最靠近碳纤维的基体其硬度和模量最高,分别为2.51 GPa和93.53 GPa。拉伸试验结果表明,SCFs/2024 Al复合材料的屈服强度和抗拉强度会随碳纤维含量的增加呈现先增加后下降的趋势,其中,4 vol.%SCFs/2024 Al拥有最高的屈服强度,在室温、150oC和250oC拉伸温度下,相较于2024 Al分别提高了19.6%、45.6%和36.7%。另外,SCFs/2024 Al复合材料的塑性相较于2024 Al显著降低,在室温下,由于残余热应力和界面产物导致的过强界面结合,碳纤维在室温复合材料拉伸断口上的主要断裂形式为剪切破坏。当温度升高后,随着残余应力的回复以及界面产物和偏析产物的粗化,碳纤维与Al基体的界面结合减弱,这时碳纤维在拉伸过程中主要被拔出或者与基体发生脱粘。随后,针对前文研究发现的碳纤维低应力脆断导致复合材料抗拉强度提升不明显及塑性下降明显现象,将热压烧结后的SCFs/2024 Al复合材料进行热挤压工艺处理,实现了较大含量的碳纤维在基体中沿挤压方向的定向排布。在挤压力恒定的前提下,挤压速度会随碳纤维含量的增加,温度的降低和挤压比的增大而下降。挤压速度下降反映了挤压过程中Al基体高温流变能力的下降,使碳纤维在基体中的无序程度加剧,表现为碳纤维与挤压方向的平均偏差角度加大。碳纤维的加入可以有效降低Al基体的晶粒尺寸,其晶粒细化效果对碳纤维周围的基体最为明显。在高温下,碳纤维可以有效抑制Al基体的晶粒长大。在界面处仍然可以观察到大量的Al₄C₃界面产物以及偏析现象。在室温下,SCFs/2024 Al复合材料的抗拉强度随着碳纤维含量的增加呈现先上升后下降的趋势,屈服强度随着碳纤维含量的增加不断上升。当碳纤维含量固定为8 vol.%,改变挤压参数时,460oC挤压温度和14.6挤压比条件下的复合材料抗拉强度最大,为514 MPa。挤压态SCFs/2024 Al复合材料的强化机理包括载荷传递、晶粒细化、织构转变及位错堆积。复合材料塑性急剧衰退是因为碳纤维的脆断,这是由于界面反应及残余热应力带来的的过强界面结合导致的。在高温下,SCFs/2024 Al复合材料和2024 Al的拉伸强度都有所下降,但碳纤维可以有效抑制复合材料强度的衰退,这主要得益于碳纤维高温性能稳定和对Al基体晶粒在高温下长大的抑制。此外,高温下碳铝界面处残余热应力的回复以及Al基体的软化使得碳纤维的脆断现象缓解,裂纹在界面处的应力集中减弱,界面可以发挥裂纹偏转机制,从而提高高温下复合材料的塑性,还可以进一步发挥碳纤维传递载荷的作用,提高复合材料的高温强度。无论是烧结态还是挤压态SCFs/2024 Al复合材料,在碳纤维和Al基体的界面处都观察到了较为剧烈的界面反应。为了抑制界面处发生的碳铝界面反应,在碳纤维表面通过Ti-I₂体系CVD工艺制备Ti镀层,并在粉末冶金和热挤压工艺的研究基础上,研究了镀层的引入对SCFs/2024 Al复合材料界面及拉伸性能的影响。通过热力学理论计算确定了当Ti和I₂的摩尔比为1:1.6时,TiI₃和TiI₂在反应腔体内的平衡浓度最大,最有利于Ti镀层的沉积。XRD及Raman结果表明,在降温过程中通入少量氧气,可以使碳纤维表面的镀层成分转化为TiO₂和非晶C的组合。在900oC镀层温度下,镀层的厚度会随保温时间的延长而不断增加。在SCFs/2024 Al复合材料中,镀层的引入可以有效缓解界面处的碳铝界面反应,Al₄C₃的数量下降明显。在复合材料中,碳纤维表面的镀层转变为TiC、TiO₂、MgO、Ti和非晶C的复杂成分。相较于挤压态SCFs/2024 Al复合材料,镀层SCFs/2024 Al复合材料的抗拉强度和塑性得到较大提升,这是由于镀层的引入改变了界面处的结构。裂纹偏转机制可以调节复合材料界面处的应力分布,避免界面处的应力集中,从而延长碳纤维有效传递载荷的时间,从而提高复合材料的力学性能和塑性。