短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的發(fā)展

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1、短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的發(fā)展摘要：金屬鎂由于具有低密度和良好的阻尼減震性、導(dǎo)熱性以及電磁屏蔽性等特點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸和電子工業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但由于純鎂的力學(xué)性能及耐腐蝕性能較差,因此在工業(yè)上i般不直接使用純鎂作為結(jié)構(gòu)材料。關(guān)鍵詞：化學(xué)鍍、短碳纖維、熱擠壓、美基復(fù)合材料、阻尼性能。金屈鎂的工業(yè)應(yīng)用多采取以卜?兩種途徑來實(shí)現(xiàn):一是添加合金元素形成鎂合金;二是加入增強(qiáng)體制備成鎂基復(fù)合材料;在鎂合金屮引入不同功能增強(qiáng)體可顯著地改善鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性能、阻尼性能及耐高溫性能。碳纖維由于具有高的比強(qiáng)度、比模量、耐高溫、耐疲勞、低膨脹和自潤滑等優(yōu)界的綜合性能，使其成為一

2、種非常理想的制備鎂基復(fù)合材料的壇強(qiáng)體材料。但是，碳纖維與金屈鎂Z間的潤濕性較差，為此往往需要對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，化學(xué)鍍鎳一方而由于英與金屈鎂z間良好的潤濕性使得碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅度提高;另一方面其在界面層中引入金屬鎳還可以顯著地改善鎂基復(fù)合材料的阻尼性能。采用粉末冶金和熱擠壓的工藝技術(shù)制備了短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，對(duì)其制備技術(shù)、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及阻尼性能等進(jìn)行了研究。采用化學(xué)鍍鎳的方法對(duì)碳纖維進(jìn)行了表而處理,并對(duì)金屈鐮的沉積機(jī)理及英對(duì)鎂復(fù)合材料力學(xué)性能及阻尼性能的影響進(jìn)行了研究，最后采用有限元法對(duì)復(fù)合材料的熱擠壓過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,研究了擠壓過程屮各參數(shù)對(duì)復(fù)合材

3、料微觀結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)取得了以下主要成果：1、在預(yù)備試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了碳纖維化學(xué)鍍鎳處理的L16(4?5)止交試驗(yàn),得到了最佳的施鍍工藝條件:T二65°C,t=3min,pH二8.0,絡(luò)合劑含量25g/Lo采用此工藝條件，在碳纖維表面得到了結(jié)構(gòu)均勻0.5um厚的金屬鎳涂層。2、通過化學(xué)鍍銀沉積過程研究發(fā)現(xiàn)，整個(gè)化學(xué)鍍過程可分為誘導(dǎo)期-加速期-減速期-穩(wěn)定期四個(gè)階段。［0H-］的反應(yīng)級(jí)數(shù)為0.265,［C_6H_50_7?-］的反應(yīng)級(jí)數(shù)為-0.233,化學(xué)鍍的活化能為62.82KJ/mol。隨著熱處理溫度的亓高，金屬鎳涂層向碳纖維內(nèi)部擴(kuò)散而使其發(fā)生了右墨化、鍍層內(nèi)部品粒明顯長大、結(jié)品度捉

4、高近1倍，其物相組成由初始的沿(111)晶面擇優(yōu)取向的金屬Ni和少量的P轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序取向的Ni和Ni3Po3、以純鎂為基體金屬，采用粉末冶金擠壓法成功制備了短碳纖維分布均勻且定向排列的鎂基復(fù)合材料。壓坯制備過程中不規(guī)則鎂顆粒對(duì)短碳纖維有剪切作用，復(fù)合材料內(nèi)部的纖維會(huì)變短，其平均長度約為30nm;TEM測試結(jié)果表明，復(fù)合材料界面層厚度約500nm,界面結(jié)合良好，界面生成的Mg_2Ni對(duì)碳纖維有一定的催化石墨化作用。4、綜合理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理主要是“載荷傳遞效應(yīng)”；隨著增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的增加，在高于臨界振幅的范圍內(nèi)復(fù)合材料的阻尼性能更加優(yōu)良，常溫下復(fù)合材

5、料阻尼除位錯(cuò)阻尼機(jī)制外述冇其他的阻尼機(jī)制存在。純Mg>5.5vol%uncoatedcf/Mg和5.5vol%Ni~coatedcf/Mg三種材料在整個(gè)測試溫度范圍內(nèi)都只存在一個(gè)阻尼峰，且隨著頻率的增加其阻尼峰值溫度升高，顯示了熱激活弛豫過程的特征,三種材料的熱激活能H的大小分別為：1.287eV、1.129eV和1.725eV;前兩種材料起作用的主要是位錯(cuò)阻尼機(jī)制,而5.5vol%Ni-coatedcf/Mg復(fù)合材料由于碳纖維表面金屬銀涂層的引入改善了界面潤濕性,使界面附近的位錯(cuò)密度降低，在低溫及相同外加應(yīng)力的作用下通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)耗散的能量最少，隨著溫度的升高通過界面和品界的滑移所耗散的

6、能量增加導(dǎo)致其在200^260°C范圍內(nèi)具冇最大的阻尼值。5、成功地制備了短碳纖維增強(qiáng)的AZ91D鎂基復(fù)合材料，復(fù)合材料屮短碳纖維的t度為30~40umoTEM觀察發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料界面結(jié)合良好,5.Ovol%Ni-coatedcf/AZ91D復(fù)合材料的力學(xué)性能與純AZ91D及5.Ovol%uncoatedcf/AZ91D相比最優(yōu)。5.0vol%Ni-coatedcf/AZ91D復(fù)合材料隨著頻率的增人阻尼峰值溫度移向高溫，同樣表現(xiàn)出熱激活弛豫過程的特征，其熱激活能II為3.448cV;在溫度高于220°C的條件下，隨著熱擠壓溫度的升高和擠壓比的減小5.Ovol%Ni-coatedcf/AZ9

7、1D復(fù)合材料的阻尼值減小，這與復(fù)合材料內(nèi)部的晶粒大小有關(guān)。6、DEF0RM-3D有限元軟件對(duì)熱擠壓過程的模擬結(jié)果表明，復(fù)合材料屮碳纖維長度減小的主要原因是壓制過程中金屬顆粒對(duì)纖維的剪切作用；在熱擠壓過程中復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力場、應(yīng)變場和溫度場都對(duì)稱分布，且在定徑帶處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力和應(yīng)變集屮；通過對(duì)此區(qū)域復(fù)合材料的金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，在擠壓開始階段復(fù)合材料內(nèi)部基體金屬顆粒由于受到擠壓力的影響而被逐漸拉長,且發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸