碳纤维增强铝基复合材料.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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±

7、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,

8、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,