预热温度对连续Cf/Al复合材料组织与性能的影响

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连续Cf/Al复合材料因其高比强、高比模、低膨胀和良好的可设计性而倍受航天航空部门的关注,并已发展成为现代国防尖端技术领域最具战略性的结构材料之一。如何实现高性能连续Cf/Al复合材料复杂构件近净成形是决定其走向大规模工程应用所亟待解决的关键技术难题。真空低压浸渗技术可将复合材料制备与构件成形有机结合起来,是连续Cf/Al复合材料的近净成形新工艺;然而液态浸渗中严重的界面反应(预热温度高、时间长)不利于复合材料性能的提高。针对此问题,本文设计开发了能够精确单独控制纤维预热温度和预热时间的真空低压浸渗制备装置,成功制备出纤维体积分数为35%的连续Cf/Al复合材料:T300/Al、Ni-T300/Al和M40/Al复合材料。利用SEM、EDS、XRD、TEM和多功能电子拉伸机等方法系统分析了复合材料的微观组织、界面结构和力学性能,在400℃~600℃温度范围内研究了预热温度对连续Cf/Al复合材料组织与性能的影响及其影响机制。通过对真空低压浸渗装置的改造,实现了纤维预制体预热温度的单独准确控制,缩短了复合材料制备周期并降低了其制备成本。纤维预热前后强度的对比研究表明:T300、Ni-T300、M40的拉伸强度随着预热温度的升高而下降,预热温度超过550℃后三种纤维的拉伸强度均直线下降。预热温度400℃条件下难以实现复合材料的制备成形;随着预热温度的升高,复合材料浸渗完整性和组织均得以较大程度改善,连续Cf/Al复合材料的致密度都随着预热温度的升高先增高后降低。预热温度450℃条件下T300/Al、M40/Al复合材料组织出现纤维分布不均匀甚至搭接偏聚现象,而Ni-T300/Al复合材料浸渗完整,组织无缺陷,Ni涂层脱落扩散。T300/Al复合材料纵向纤维断裂,预热温度越高,断裂越明显。预热温度450℃条件下M40/Al复合材料界面结合适中,断口参差不齐,犬牙交错,纤维大量撕裂且脱粘,纤维拔出后基体孔洞缩颈,复合材料表现为韧性断裂,弯曲强度为1078MPa,拉伸强度为理论强度的50.1%。T300/Al、Ni-T300/Al复合材料界面结合过强,表现为脆性断裂,断口较为齐平,纤维拔出及脱粘不明显;三种连续Cf/Al复合材料的弯曲、拉伸强度都随着预热温度的升高大幅度下降,表现为脆性断裂。在相同制备参数下,连续Cf/Al复合材料界面相(Al4C3)的尺寸和数量递减顺序为:T300/Al、Ni-T300/Al和M40/Al;三种复合材料中Al4C3相的含量随着预热温度的升高持续线性增加,增加速度呈现先快后减慢。碳纤维表面镀镍涂层能够显著改善界面润湿性,但难以阻断碳的溶解扩散以及界面反应,不能有效提高复合材料的力学性能。
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