《短碳纖維增強(qiáng)tzm合金基復(fù)合材料的制備及性能研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
獨(dú)創(chuàng)性聲_明熱舞然娜!本論文及其相關(guān)資料著有不實(shí)之處，由本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任論文作者簽名:叫年一今月，粕學(xué)位論文使用授權(quán)聲一明本人立山基在，師疇導(dǎo)下?！巴?，畢業(yè)論“本人已通過論文的答辯，并已經(jīng)在酸理工大學(xué)申請(qǐng)博月碩士學(xué)位，本人作為學(xué)件論文著作權(quán)擁有者，同意井攀只(保密的學(xué)位論文在解密后，適用本授權(quán)說明)論文作者簽名:導(dǎo)師簽名:探壑峰…呻今月幾活日 摘要論文題目:短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料的制備及性能研究學(xué)科專業(yè):材料科學(xué)與工程研究生:孫博指導(dǎo)教師:張?jiān)迄i(教授)摘要碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料。TZM合金(Tit兩uIn一Zirconiuln一Mol沙de~Alloy)是目前廣泛應(yīng)用的一種高溫合金，該合金具有熔點(diǎn)高，強(qiáng)度大，彈性模量高，膨脹系數(shù)小，蒸氣壓低，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，抗蝕性強(qiáng)以及高溫力學(xué)性能良好等特點(diǎn)，因而在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。本文采用粉末冶金的方法制備短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料。在制備過程中，研究了不同的燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維和TZM合金的影響，并對(duì)復(fù)合材料的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究主要取得以下成果:(l)燒結(jié)氣氛的不同對(duì)碳纖維的影響比較明顯。碳纖維在氫氣氣氛下，熱處理溫度為1000℃時(shí)，纖維的表面形貌以及抗拉強(qiáng)度性能變化不大;熱處理溫度為150℃時(shí)，碳纖維表面出現(xiàn)了大量的孔洞和凹坑，質(zhì)量和抗拉性能明顯下降;熱處理溫度為180℃時(shí)，碳纖維與氫氣反應(yīng)消失。碳纖維在氫氣氣氛下，熱處理溫度為180℃時(shí)，碳纖維表面有呈細(xì)絨毛狀的附著物和小的凹坑，但碳纖維仍保持著良好的抗拉強(qiáng)度。(2)在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，在氫氣氣氛下，TZM合金晶粒細(xì)小，燒結(jié)密度大，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性較好。(3)添加碳纖維的C/TZM復(fù)合材料晶粒細(xì)小，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的密度降低。碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，C/TZM復(fù)合材料的布氏硬度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性的力學(xué)性能最優(yōu)。關(guān)鍵詞:粉末冶金;燒結(jié)氣氛;TZM合金;碳纖維;復(fù)合材料;力學(xué)性能少 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文Title:ThePreParationandresearchoncomPositesoftheshortcarbonfiberreinforcedTZMalloyMajor:MaterialsScienceandEngineeringName:sunbosignature毛5必去‘SuPervisor:Prof.ZhangYunPeng5ignatureAbst門CtTheearbonfiberreinforeedcomPosite15oneofPresentmostadvaneedeomPosites，Itexeelsinitslightquality，thermostable，exeellentthermodynamiesPerformaneeand50on.Thecharacteristieswidelyserveasthestructuralmaterial.TheTZMalloy(Titanium一Zireonium一MolybdenumAlloy)15PresentwtdelyaPPlieatedasakindofhigh一temPeraturealloy，AnditPossessedhighmelting一Poini，Iargestrength，highelastieitymodulus，litleexPansioneoefieieni，lowvaporPressure，goodeleetrieeonduetivityandthermaleonductivity，strongeormsionresistaneeaswellasgoodhightemPeraturemeehaniealProPerties.Inthisthesis，theshortearbonfiberreinforeedTZMalloyeomPositeswerePreParedbypowermetallursyteehnolog丫InthepreParatlonProeess，theidueneeofdiferenisiniering掀mosPhereontheearbonfiberandTZMalloywerestudled.Andthemierostrueturesandmeeh耐ealProPertyoftheeomPositewerealsoresearehed.Themainresultsareasfollows:(l)It15obviousthatthediferenisinieringatmosPherehaveanefeetontheearbonfiber.InthehydrogenatmosPhere，attheheattreatmenitemPeratureof1OO0oC，thesurfacetoPograP勿即dtensilestrengthoftheearbonfiberarelitleehange;AitheheattreatmenitemPeratureof1500oC，therearealargenumberofholesandPitsonthesurfaceofearbonfiber，thequalityandtensilestrengthareobviouslydeereased.AitheheattreatmenitemPeratureof1800oC，TheearbonfiberdisapPearedasaresultofthereactionwith坤drogen.Intheargon掀mosPhere，attheheattreatmenitemPeratureof1800oC，therearesomeatachlnentslikethinvillousandsmallPitsonthesurfaceofearbonfiber，buttheearbonfiberstillretainthegoodtensilestrength.(2)AtthesamesinieringtemPeratureandsinteringtime，inthehydrogenatmosPhere，theTZMalloyhavesmallcrystalgrain，highdensity，goodtensilestrengthandimPacttoughness·(3)TheC/TZMeomPositeaddingearbonfiberhavesmallerystalgrain，誠ththeincreaseoftheeonieniofearbonfiber，thedensityofeomPositereduee.Whenthevolumefractionof AbstraCtearbonfiber152%，TheBrinellhardness，tensilestrength，imPacttoughnessofC/TZMeomPositeareoPtimum.Keywords:Powermetallurgy;sinterlngatmosPhere;TZMalloy;earbonfiber;eomPosite;meeh田五e(cuò)alProperty111/ 目錄目錄1緒論··············································，·····················································································……11.1復(fù)合材料的概述···································，··············································，···················……11.1.1復(fù)合材料的性能特點(diǎn)································································，···················……11.1.2復(fù)合材料的分類·········································································...·..·............……21.2金屬基復(fù)合材料·······，······························································································……21.2.1金屬基復(fù)合材料的特性·········，······································································……31.2.2金屬基復(fù)合材料的分類················································································……41.2.3金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)········································································……51.3TZM合金基體材料·········，························································································……91.3.1TZM合金的概述····························································································……91.32TZM合金的制備工藝···························································……，···...............……91.3.3TZM合金的強(qiáng)化機(jī)理···············，··································································……101.4碳纖維·····················································································································……n1.4.1碳纖維的特性······························································································一121.4.2碳纖維的增強(qiáng)機(jī)理··········································································..……，...……131.4.3碳纖維增強(qiáng)金屬基材料的應(yīng)用··································································……16l.5課題研究的背景及意義·······································································.……，.........……162試驗(yàn)方案及測(cè)試方法···································································，··········..·..·..·...............……202.1試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)思路·················································································...............……202.2試驗(yàn)原料與組成························································，···························，···············……202.2.1主要原料··························································，···········································……202.2.2成分與組成··································································································……212.3性能測(cè)試方法及顯微組織觀察··························，·················································……22.3.1碳纖維抗拉強(qiáng)度的測(cè)量··············································································……22.3.2密度測(cè)試······································································································……232.3.3硬度的測(cè)定··································································································……232.3.4抗拉強(qiáng)度的測(cè)定··························································································……232.3.5沖擊韌性測(cè)試······························································································……242.3.6顯微組織觀察······························································································……243短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料的制備工藝······························，·························……253.1混料························································································································……253.3.1碳纖維的清洗······························································································……253.3.2碳纖維的分散·····，························································································……25 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文3.3.3碳纖維與基體的混合···················································································……253.2添加成形劑·············································································································……273.3壓制成形·················································································································……273.4燒結(jié)·························································································································……283.5制備工藝圖·············································································································……294燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維和TZM合金的影響·········································································……304.1概述·························································································································……304.2燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維的性能影響·············································································……304.2.1燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維表面及斷口形貌的影響···············································……304.2.2燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維質(zhì)量的影響···································································……34.2.3燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維抗拉強(qiáng)度的影響···························································……344.3燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金的組織及性能的影響·······················································……354.3.1燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金密度的影響·····························································……354.3.2燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金力學(xué)性能的影響·····················································……364.3.3燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金組織形貌的影響·····················································……375碳纖維含量對(duì)C/TZM復(fù)合材料的影響·········································································……405.1顯微組織形貌分析·································································································……405.2碳纖維含量對(duì)C/TZM復(fù)合材料密度的影響·······················································……425.3碳纖維含量對(duì)C/TZM復(fù)合材料力學(xué)性能的影響···············································……435.3.1硬度的影響···································································································……435.3.2抗拉強(qiáng)度的影響···························································，·······························……45.3.3沖擊韌性的影響···························································································……466結(jié)論·····························································································································，·····……48致謝···································································································································……49參考文獻(xiàn)·······························································································································……50碩士期間發(fā)表的論文···················································，········，···································，··········……53 1.1復(fù)合材料的概述復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展涌現(xiàn)出的具有極大生命力的材料。它具有剛度大、強(qiáng)度高、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，而且可根據(jù)使用條件的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，易滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能，已成為一種當(dāng)代新型的工程材料r”。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料‘2，。這種組合可能是同一類材料，例如兩種金屬，也可用不同類的材料，如玻璃和塑料。從復(fù)合材料的組成和結(jié)構(gòu)分析，其中有一相是連續(xù)的稱為基體相，另一相是分散的、被基體包容的稱為增強(qiáng)相。增強(qiáng)相和基體相之間有個(gè)交界面稱為復(fù)合材料界面，復(fù)合材料的各個(gè)相在界面上可以物理地分開。通過在微觀結(jié)構(gòu)層次上的深入研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料界面附近的增強(qiáng)相和基體相由于在復(fù)合時(shí)復(fù)雜的物理和化學(xué)原因，變得具有既不同于基體又不同于增強(qiáng)相組分本體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)和形態(tài)會(huì)對(duì)復(fù)合材料的宏觀性能產(chǎn)生影響，所以界面附近這一結(jié)構(gòu)與性能發(fā)生變化的微區(qū)也可以作為復(fù)合材料的一相，稱為界面相。因此確切地說，復(fù)合材料是由基體相、增強(qiáng)相和界面相組成的。1.1.1復(fù)合材料的性能特點(diǎn)復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比，其兩個(gè)主要特點(diǎn)是性能可設(shè)計(jì)性和材料與構(gòu)件成型的一致性。復(fù)合材料所期望的復(fù)合效果是原材料(即組分材料)的性能互補(bǔ)，并產(chǎn)生疊加效果，從而具備一些原材料所不具備的優(yōu)異的物理化學(xué)性能。(l)復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性材料設(shè)計(jì)是指在材料科學(xué)的理論知識(shí)和己有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按預(yù)定性能要求，確定材料的組分和結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)達(dá)到預(yù)定性能要求應(yīng)選擇的工藝手段和工藝參數(shù)。通過改變材料的組分、結(jié)構(gòu)、工藝方法和工藝參數(shù)來調(diào)節(jié)材料的性能，就是材料性能的可設(shè)計(jì)性。顯而易見，復(fù)合材料中所包含的諸多影響最終性能的、可調(diào)節(jié)的因素，賦予了復(fù)合材料的性能可設(shè)計(jì)性以極大的自由度。(2)材料與結(jié)構(gòu)的同一性傳統(tǒng)材料的構(gòu)件成型是經(jīng)過對(duì)材料的再加工，再加工過程中材料不發(fā)生組分和化學(xué)的變化，而復(fù)合材料構(gòu)件與材料是同時(shí)形成的，它由組成復(fù)合材料的組分材料在復(fù)合成材料的同時(shí)也就形成了構(gòu)件。由于復(fù)合材料這一特點(diǎn)，使之結(jié)構(gòu)的整體性好，可大幅度地減少零部件和連接件數(shù)量，從而縮短加工周期，降低成本，提高構(gòu)件的可靠性。(3)發(fā)揮復(fù)合效應(yīng)的優(yōu)越性復(fù)合材料比金屬材料有較高的耐疲勞特性。通常金屬材料的抗疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30%~50%，而碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度極限為其拉伸強(qiáng)度的70%~80%。因此用復(fù)合材料構(gòu)成在長(zhǎng)期交變載荷條件下工作的構(gòu)件，具有較長(zhǎng)的使用壽了 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文命和較大的破損安全性。(4)阻尼減震性好受力結(jié)構(gòu)的自震頻率除與形狀有關(guān)外，還同結(jié)構(gòu)材料的比模量平方成正比，所以復(fù)合材料有較高的自震頻率。同時(shí)復(fù)合材料的基體纖維界面有較大的吸收震動(dòng)能量的能力，致使材料的震動(dòng)阻尼較高。(5)破損安全性高復(fù)合材料的破壞不像傳統(tǒng)材料那樣突然發(fā)生，而是經(jīng)歷基體損傷、開裂、界面脫粘、纖維斷裂等一系列過程。當(dāng)少數(shù)增強(qiáng)碳纖維發(fā)生斷裂時(shí)，載荷又會(huì)通過基體的傳遞迅速分散到其他完好的纖維上去，從而遲滯了災(zāi)難性破壞突然發(fā)生的情況‘3’。1.1.2復(fù)合材料的分類不同的基體材料和增強(qiáng)物可組合成品種繁多的復(fù)合材料。由金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料的不同形態(tài)相組合、可構(gòu)成各種不同的復(fù)合材料體系。按不同的標(biāo)準(zhǔn)和要求，復(fù)合材料有以下幾種分類法:(l)按使用性能不同分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料;(2)按基體材料類型分類有機(jī)材料基復(fù)合材料、無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料;(3)按增強(qiáng)材料類型分類無機(jī)非金屬增強(qiáng)復(fù)合材料(如:碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等)、金屬增強(qiáng)材料(如鎢絲增強(qiáng)高溫合金復(fù)合材料、鐵絲增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料等)、有機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(紡倫纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、尼龍絲增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料等);(4)按增強(qiáng)材料形態(tài)及分布方式分類連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維織物和編織體增強(qiáng)復(fù)合材料、片狀材料增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、納米復(fù)合材料等【4，。1.2金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料(MetalmatrixComPosite，簡(jiǎn)稱MMCs)是以陶瓷(連續(xù)長(zhǎng)纖維、短纖維、晶須和顆粒)為增強(qiáng)材料，金屬(如鋁、鎂、欽、鎳、鐵、銅等)為基體材料而制備的。MMCs問世至今已有40余年，由于具有高的比強(qiáng)度、比模量、耐高溫、耐磨損以及熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能，克服了樹脂基復(fù)合材料在宇航領(lǐng)域中使用時(shí)存在的缺點(diǎn)，得到了令人矚目的發(fā)展，成為各國高技術(shù)研究開發(fā)的重要領(lǐng)域。決定復(fù)合材料特性的三個(gè)因素是增強(qiáng)體、基體和界面。基體的微結(jié)構(gòu)及它的力學(xué)性能對(duì)復(fù)合材料的總體性能有顯著影響。這在金屬基復(fù)合材料中更是如此因?yàn)檎撬c纖維、晶須、或顆粒的作用可能引起金屬基體微結(jié)構(gòu)的變化，因而造成像強(qiáng)度、韌性等結(jié)構(gòu)敏感性能的變化‘5’。 緒論1.2.1金屬基復(fù)合材料的特性金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選用金屬或合金基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。通過優(yōu)化組合可以獲得既具有金屬特性，又具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨等綜合性能。綜合歸納金屬基復(fù)合材料有以下性能特點(diǎn):(l)高比強(qiáng)度、高比模量由于在金屬基體中加入了適量的高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維、晶須和顆粒等增強(qiáng)體，明顯提高了復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，特別是高性能連續(xù)纖維一硼纖維、碳(石墨)纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)物，具有很高的強(qiáng)度和模量。(2)導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能金屬基復(fù)合材料中金屬基體占有很高的體積分?jǐn)?shù)，一般都在60%以上，因此仍保持金屬所特有的良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。(3)熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好金屬基復(fù)合材料中所用的增強(qiáng)物碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具有很小的熱膨脹系數(shù)，又具有很高的模量，特別是高模量、超高模量的石墨纖維具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。加入相當(dāng)含量的增強(qiáng)體不僅大幅度提高材料的強(qiáng)度和模量，也使其膨脹系數(shù)明顯下降并可通過調(diào)整增強(qiáng)體的含量獲得不同的熱膨脹系數(shù)，以滿足各種工況要求。(4)良好的高溫性能由于金屬體的高溫性能比聚合物高很多，增強(qiáng)纖維、晶須和顆粒在高溫下又都具有很高的高溫強(qiáng)度和模量。因此金屬基復(fù)合材料具有比基體金屬更高的高溫性能，特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。(5)耐磨性好金屬基復(fù)合材料，尤其是陶瓷纖維、晶須和顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料具有很好的耐磨性。這是因?yàn)樵诨w中加入大量的陶瓷增強(qiáng)體，特別是細(xì)小的陶瓷顆粒所致。陶瓷材料硬度高、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，用它們來增強(qiáng)金屬不僅提高了材料的強(qiáng)度和剛度，也提高了復(fù)合材料的硬度和耐磨性。(6)良好的疲勞性能和斷裂韌度金屬基復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌度取決于纖維等增強(qiáng)體與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)，增強(qiáng)體在金屬基體中的分布以及金屬、增強(qiáng)體本身的特性，特別是界面狀態(tài)。最佳的界面結(jié)合狀態(tài)既可有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌度。(7)不吸潮，不老化，氣密性好與聚合物相比，金屬性質(zhì)穩(wěn)定、組織致密，不存在老化、分解、吸潮等問題，也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化，這比聚合物基復(fù)合材料優(yōu)越，在空間使用也不分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境，有明顯的優(yōu)越性。(8)二次加工性能較好可有效借助目前現(xiàn)有的成熟的各種金屬材料加工工藝及設(shè)備實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料的 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文二次加工【2，4，6]。1.2.2金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料的品種繁多，有各種分類方式，但可歸納為以下三種:(l)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料‘7’連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用高強(qiáng)度、高模量、低密度的碳(石墨)纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等增強(qiáng)體與金屬基體組成高性能復(fù)合材料。通過基體、纖維類型、纖維排布方向、含量、方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，可獲得各種高性能。在纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中纖維具有很高的強(qiáng)度、模量，是復(fù)合材料的主要承載體，增強(qiáng)基體金屬的效果明顯。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，纖維的排列是一致的，我們把平行于纖維長(zhǎng)軸的方向稱為軸向，垂直于纖維長(zhǎng)軸的方向稱為橫向。長(zhǎng)纖維的軸向和橫向性能差別很遠(yuǎn)，例如:對(duì)于拉伸性能來說，軸向拉伸強(qiáng)度是纖維的強(qiáng)度，而橫向的拉伸強(qiáng)度幾乎是基體金屬的拉伸強(qiáng)度，在磨損學(xué)方面橫向抗磨損性能要優(yōu)于軸向。這種各向異性現(xiàn)象是復(fù)合材料的一個(gè)特點(diǎn)，在具體設(shè)計(jì)和應(yīng)用復(fù)合材料時(shí)，必須加以考慮。(2)非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料【“’非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，是有短纖維(如:氧化鋁纖維、碳纖維、碳化硅纖維、玻璃纖維等)、晶須(如:碳化硅晶須、氮化硅晶須等)和顆粒為增強(qiáng)體與金屬基體組成的復(fù)合材料。在此類復(fù)合材料中金屬基體仍起著主導(dǎo)作用，增強(qiáng)體在基體中隨意分布，其性能成各向同性。非連續(xù)增強(qiáng)體的加入，明顯提高了金屬的耐磨、耐熱性，提高了高溫力學(xué)性能、彈性模量，降低了熱膨脹系數(shù)等。增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度大大小于復(fù)合材料的長(zhǎng)度我們就稱之為短纖維。短纖維在材料中的存在是不連續(xù)的，是一種非連續(xù)增強(qiáng)體。其中，短纖維的臨界長(zhǎng)度可由下面的公式得出:(1.1)其中，外為纖維的拉伸強(qiáng)度，d為纖維的直徑，稱為基體的剪切屈服強(qiáng)度。短纖維或晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有以下特征:1)短纖維比較經(jīng)濟(jì)，成本低;2)短纖維復(fù)合材料工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備要求低;3)可以提高基體的性能;4)可以提高復(fù)合材料的彈性模量、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及抗磨損性能;5)與連續(xù)纖維相比，短纖維具有較好的各向同性。(3)層狀復(fù)合材料【2，這種復(fù)合材料是指在韌性和成形性較好的金屬基體材料中含有重復(fù)排列的高強(qiáng)度、高模量片層狀增強(qiáng)體的復(fù)合材料。層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度與大尺寸增強(qiáng)體的性能比較接近，而 緒論與晶須或纖維類小尺寸增強(qiáng)體的性能差別比較大。因?yàn)樵鰪?qiáng)薄片在二維方向上的尺寸相當(dāng)于結(jié)構(gòu)件的大小，因此增強(qiáng)體中的缺陷可以成為長(zhǎng)度與構(gòu)件相同裂紋的核心。由于薄片增強(qiáng)的強(qiáng)度不如纖維增強(qiáng)相高，因此層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的強(qiáng)度受到了限制。然而，在增強(qiáng)平面的各個(gè)方向上，薄片增強(qiáng)體對(duì)強(qiáng)度和模量都有增強(qiáng)效果，這與纖維單向增強(qiáng)的復(fù)合材料相比具有明顯的優(yōu)越性。1.2.3金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)金屬基復(fù)合材料的性能、應(yīng)用、成本等在很大程度上取決于金屬基復(fù)合材料的制造技術(shù)。因此研究和發(fā)展有效的制造技術(shù)，一直是金屬基復(fù)合材料研究中的最重要的問題之一。a.對(duì)制造技術(shù)的要求為得到性能良好、成本低廉的金屬基復(fù)合材料，制造技術(shù)應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求。(1)能使增強(qiáng)材料以設(shè)計(jì)的體積分?jǐn)?shù)和排列方式分布于金屬基體中，滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。(2)不得使增強(qiáng)材料和金屬基體原有性能下降，特別是不能對(duì)高性能增強(qiáng)材料造成損害;能確保復(fù)合材料界面效應(yīng)、混雜效應(yīng)或復(fù)合效應(yīng)充分發(fā)揮，有利于復(fù)合材料性能的提高或互補(bǔ);不能因制造工藝不當(dāng)造成材料性能下降。(3)盡量避免增強(qiáng)材料和金屬基體之間各種不利化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，得到合適的界面結(jié)構(gòu)和性能，充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的增強(qiáng)增韌效果。(4)設(shè)備投資少，工藝簡(jiǎn)單易行，可操作性強(qiáng);便于實(shí)現(xiàn)批量或規(guī)模生產(chǎn)。(5)盡量能制造出接近最終產(chǎn)品的形狀，尺寸和結(jié)構(gòu)，減少或避免后續(xù)加工工序。b.金屬基復(fù)合材料制造的難點(diǎn)及解決途徑由于金屬固有的物理和化學(xué)特性，其加工性能不如樹脂好，在金屬基復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)上存在一些困難，需要采取一些特殊的措施解決，分析如下:(l)在加工過程中，為了確?；w的浸潤性和流動(dòng)性，使之充分滲透到增強(qiáng)材料之間的間隙中并與之結(jié)合，需要采用很高的加工溫度(往往接近或高于基體的熔點(diǎn))。在高的制造溫度下，基體和增強(qiáng)材料之間容易發(fā)生界面反應(yīng)，有時(shí)也會(huì)發(fā)生氧化生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物。解決辦法:盡量縮短高溫加工時(shí)間，使增強(qiáng)材料與基體界面反應(yīng)時(shí)間降低至最低程度;通過提高工作壓力使增強(qiáng)材料與基體浸潤速度加快;采用擴(kuò)散粘接法可有效地控制溫度并縮短時(shí)間。(2)金屬基體和增強(qiáng)材料之間浸潤性太差，甚至在制造溫度下完全不浸潤，使得金屬基體和增強(qiáng)材料之間結(jié)合力差，影響復(fù)合材料的性能。解決辦法:加入合金元素，優(yōu)化基體成分;合金元素的加入除了可以改善液態(tài)金屬和固態(tài)增強(qiáng)材料之間的潤濕性，防止或緩解界面反應(yīng)外，還能保持基體原有的強(qiáng)度和韌性，優(yōu)化界面結(jié)構(gòu);在增強(qiáng)材料表面覆以薄的涂層來防止和抑制界面反應(yīng)，從而獲得合適界面結(jié)構(gòu)和結(jié)合強(qiáng)度，是改善增強(qiáng)材料和基體之間潤濕性的有效途徑。5 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文(3)按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，使增強(qiáng)材料按設(shè)計(jì)要求的含量、方向均勻地分布在基體中是金屬基復(fù)合材料制造中的難點(diǎn)。解決辦法:對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，使其浸潤基體速度加快;加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪馗纳苹w的分散性;施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使其分散性增大?，9，，”，。c.金屬基復(fù)合材料的制造方法由于金屬基復(fù)合材料體系很多，各組分的物理化學(xué)性質(zhì)差別很大。因此應(yīng)根據(jù)基體金屬的物理、化學(xué)性質(zhì)和增強(qiáng)材料的幾何形狀、物理、化學(xué)性質(zhì)選擇不同的制造方法。這些方法歸納如下‘2，l，】:1、固態(tài)制造法固態(tài)法是指金屬基體處于固態(tài)情況下，來制造金屬基復(fù)合材料的方法。在有些方法中(如熱壓法)，為了復(fù)合更好，有時(shí)希望有少量液相存在，既溫度控制在基體合金液相線和固相線之間。由于整個(gè)過程處于較低溫度，因此金屬基體和增強(qiáng)材料之間的界面反應(yīng)不嚴(yán)重。固態(tài)法包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓法和拉拔法、爆炸焊接法等。(l)粉末冶金法粉末冶金法是最早用來制造金屬基復(fù)合材料的方法。與攪拌鑄造法相比，在粉末冶金法中顆粒(晶須)的含量不受限制，尺寸也可以在較大范圍內(nèi)變化，但材料的成本較高，制造大尺寸的零件和坯料有一定困難。其粉末冶金法的工藝流程圖如圖1一1所示:圖1一l粉末冶金法的工藝流程圖Fig.l一1TheProeessflowdiagramofthePowdermetallurgyteehoique(2)擴(kuò)散粘接法(熱壓法和熱等靜壓法)擴(kuò)散粘接法包括熱壓法和熱等靜壓法，是加壓焊接的一種，因此有時(shí)也稱擴(kuò)散焊接法。l)熱壓法熱壓法是在較長(zhǎng)時(shí)間的高溫及不大的塑性變形作用下依靠接觸部位原子間的互相擴(kuò)散進(jìn)行的，它屬于擴(kuò)散粘結(jié)的一種。擴(kuò)散粘結(jié)過程可分為三個(gè)階段:①粘結(jié)表面之間的最初接觸，由于加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動(dòng)、表面膜(通常是氧化膜)破壞; 緒論②隨著時(shí)間的進(jìn)行發(fā)生界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散，使接觸面發(fā)生粘結(jié);③由于熱擴(kuò)散結(jié)合界面最終消失，粘結(jié)過程完成。影響擴(kuò)散粘結(jié)過程的主要參數(shù)有溫度、壓力和一定溫度及壓力下維持的時(shí)間，其中溫度是最重要的，氣氛對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有影響。熱壓工藝通常要求先將纖維與金屬基體制成復(fù)合材料預(yù)制片，然后將預(yù)制片按設(shè)計(jì)要求裁剪成所需的形狀，疊層排布(纖維方向)，視對(duì)纖維體積含量的要求，在疊層時(shí)添加基體箔，將疊層放入模具內(nèi)，進(jìn)行加熱加壓，最終制得復(fù)合材料或零件。為保證熱壓產(chǎn)品的質(zhì)量，加熱加壓過程可在真空或惰性氣氛中進(jìn)行，但也可以在大氣中進(jìn)行，也有用纖維織物與基體箔直接進(jìn)行熱壓制造復(fù)合材料及零件的。復(fù)合材料的熱壓溫度比擴(kuò)散焊接高，但也不能過高，以免纖維與基體之間發(fā)生反應(yīng)，影響材料性能，一般控制在稍低于基體合金的固相線。有時(shí)為了使復(fù)合材料更好地復(fù)合，特別在熱壓“生片”時(shí)，希望有少量的液相存在，溫度控制在基體合金的固相線和液相線之間。選用壓力可在較大范圍內(nèi)變化，但過高容易損傷纖維，一般控制在IOMPa以下。壓力的選擇與溫度有關(guān)，溫度高，壓力可適當(dāng)降低，時(shí)間在10心Omin即可。根據(jù)工藝特點(diǎn)，熱壓法分為模內(nèi)熱壓，分步熱壓和動(dòng)態(tài)熱壓等幾種。2)熱等靜壓法熱等靜壓法也是熱壓的一種。用惰性氣體加壓，工件在各個(gè)方向上受到均勻壓力的作用。在高壓容器內(nèi)設(shè)置加熱器，將金屬基體(粉末或箔)與增強(qiáng)材料(纖維、晶須和顆粒)按一定比例混合或排布后，或用預(yù)制片疊層后放入金屬套中，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱、加壓，復(fù)合成金屬基復(fù)合材料。熱等靜壓裝置的溫度可在幾百度到2000℃范圍內(nèi)選擇，工作壓力高達(dá)10硯00MPa。熱等靜壓制造金屬基復(fù)合材料工藝過程中溫度、壓力、保溫保壓時(shí)間是主要的工藝參數(shù)，溫度是保證工件質(zhì)量的關(guān)鍵因素，一般選擇的溫度低于熱壓溫度以防止嚴(yán)重的界面反應(yīng)。壓力要根據(jù)基體金屬在高溫下變形的難易程度而定，易變形的金屬壓力選擇低一些，難變形的金屬則要選擇較高的壓力。保溫時(shí)間主要根據(jù)工件的大小來確定，工件越大保溫時(shí)間越長(zhǎng)，一般在30min到數(shù)小時(shí)。熱等靜壓工藝有三種:①先升壓后升溫;②先升溫后升壓;③同時(shí)升溫升壓。(3)變形壓力加工法變形壓力加工法是指在較大塑性變形條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)合的方法，包括熱扎法、熱拔法、熱擠壓法等。(4)爆炸焊接法爆炸焊接法是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大脈沖應(yīng)力，通過使碰撞的材料發(fā)生塑性變形、焊接處金屬的局部擾動(dòng)以及熱過程使材料焊接起來而成型復(fù)合材料。2、液態(tài)制造法 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文液態(tài)制造法是指制備溫度高于基體合金熔點(diǎn)的復(fù)合材料制備技術(shù)，包括(真空、壓力、無壓)浸滲法、擠壓鑄造法、液態(tài)金屬攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、共噴沉積法和熱噴涂法等。(l)液態(tài)金屬浸滲法液態(tài)金屬浸滲法是指在一定條件下將液態(tài)金屬浸滲到增強(qiáng)材料多孔預(yù)制件的孔隙中，并凝固獲得復(fù)合材料的制備方法。根據(jù)液態(tài)金屬浸滲條件不同，可分為以下幾種:1)壓力浸滲法(擠壓鑄造法);2)真空(負(fù)壓)浸滲法;3)真空壓力浸滲法;4)無壓(自發(fā))浸滲法。(2)液態(tài)金屬攪拌鑄造法液態(tài)金屬攪拌鑄造法是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要方法，工藝簡(jiǎn)單，制造成本低廉?；驹硎菍㈩w粒直接加入到基體金屬熔體中，通過一定方式的攪拌(機(jī)械攪拌和電磁機(jī)械攪拌)使顆粒均勻地分散在金屬熔體中，然后澆注成錠坯、鑄件等。(3)共噴沉積法共噴沉積法是液態(tài)金屬基體通過特殊的噴嘴在惰性氣體氣流的作用下霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬液滴，同時(shí)將增強(qiáng)顆粒加入，共同噴向成型模具的襯底上，凝固形成金屬基復(fù)合材料的方法。(4)熱噴涂法根據(jù)熱源的不同，熱噴涂法分為等離子噴涂和氧一乙炔焰噴涂。其中等離子噴涂雖然設(shè)備要求較高，但是由于工藝參數(shù)和氣氛容易控制，因此在復(fù)合材料制造上主要采用等離子噴涂法。3、自生復(fù)合法所謂自生復(fù)合材料是指增強(qiáng)相是在復(fù)合材料制備過程中形成的。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料相比，自生復(fù)合材料主要有如下特點(diǎn):l)自生增強(qiáng)相在基體中熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，這樣在高溫使用時(shí)性能降低少;2)增強(qiáng)相與基體的界面清潔，界面結(jié)合力強(qiáng);3)自生增強(qiáng)相尺寸、體積分?jǐn)?shù)可以通過工藝參數(shù)進(jìn)行有效控制。從自生復(fù)合材料增強(qiáng)相形成原理上講，自生復(fù)合材料制備方法可以分為如下三類:①定向凝固法;②超大塑性變形法;③反應(yīng)合成法。1.3TZM合金基體材料1.3.1TZM合金的概述20世紀(jì)六十年代，美國科學(xué)家在鋁中添加合金元素Ti、Zr、C研制出高溫鋁合金材 緒論料一TZM(Titanium一Zireonium一MolybdenumAlloy)合金，其合金成分為:Ti0.4一0.55%，Z:0.06一0.08%，C0.0一0.04%，余量為Mo‘’2，。工業(yè)用TzM合金的成分為Ti0.5%，Z:0.08%，C0.03%，余量為MO‘’3，’4’。合金元素總量不超過1%，就是這些少量的元素，使鋁的機(jī)械性能不論是室溫還是高溫都大為提高。TZM合金具有熔點(diǎn)高，強(qiáng)度大，彈性模量高，膨脹系數(shù)小，蒸氣壓低，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，抗蝕性強(qiáng)以及高溫力學(xué)性能良好等特點(diǎn)‘’5’，從而在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用【’“’。(l)在高溫、高壓下表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能使其在軍事工業(yè)上應(yīng)用較多，如魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)中的配氣閥體、火箭噴嘴、燃?xì)夤艿?、噴管喉襯川，;(2)利用TZM合金對(duì)金屬液體的抗蝕性，TZM合金在彩色顯像管玻殼生產(chǎn)線上有廣泛應(yīng)用，主要用在彩色電視機(jī)中的玻殼熔爐用鉑一鍺合金包覆鋁合金攪拌器骨架主軸上，因?yàn)樗?150一1250℃高溫玻璃熔體中常年連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)工作，這就要求材質(zhì)能在長(zhǎng)期承受高溫沖擊和攪拌玻璃所產(chǎn)生的扭力條件下不變形、不彎曲、不脆斷，所以選用了耐高溫、強(qiáng)度高的TzM合金““’;(3)TZM合金具有較高的熔點(diǎn)，因此可用來做黑色和有色金屬的壓鑄模具材料及無縫不銹鋼管的穿孔頂頭，如發(fā)動(dòng)機(jī)上的銅轉(zhuǎn)子的模具【’”’;(4)TzM合金在電子電氣工業(yè)上用做電子管陰極、柵極、高壓整流元件等‘20’;(5)TzM合金板材被大量用做高溫爐的爐壁和熱等靜壓機(jī)的隔熱屏等‘2‘’;(6)在核能源設(shè)備上用做輻射罩、支撐架、熱交換器、軌條等‘2，。1.3.2TZM合金的制備工藝工業(yè)生產(chǎn)TZM合金時(shí)，常用的制備方法有真空電弧熔煉法和粉末冶金法兩種加工方法‘23，。(l)真空電弧熔煉法‘24，2，，真空電弧熔煉法是將純鋁按重量百分比添加一定量的Ti、Zr等合金元素，然后用電弧熔煉的方法得到TZM合金。我國曾于70年代用該法生產(chǎn)出最大規(guī)格厚0.smm、寬410rnrn、長(zhǎng)1000一150Omm的TZM合金薄板，但用該法生產(chǎn)的TZM合金板的工序長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，占用設(shè)備多，消耗大，成品率低及成本高，因而限制了它的使用。(2)粉末冶金法粉末冶金法【26’則是用高純鋁粉與TIH:粉、zrHz粉及石墨粉按比例均勻混合后經(jīng)冷等靜壓成型，然后在保護(hù)氣氛下高溫?zé)Y(jié)，得到TZM坯料。坯料再經(jīng)過高溫?zé)彳?高溫鍛造)、高溫退火、中溫?zé)彳?中溫鍛造)、中溫退火消除應(yīng)力、然后溫軋(溫鍛)而得到TzM成品料。坯料的軋制(鍛造)工藝‘27一3‘’及隨后的熱處理【32書’對(duì)材料的性能、各向異性及結(jié)構(gòu)有較大的影響。用粉末冶金法加工的TZM合金板材和棒材，它可節(jié)省真空自耗電弧爐，大型擠壓機(jī)以及相應(yīng)的高溫加熱爐等大型設(shè)備，使工藝簡(jiǎn)化，生產(chǎn)周期縮短，消耗降低，生產(chǎn)能力及成品率得以提高，因此大大降低了成本。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1.3.3TZM合金的強(qiáng)化機(jī)理鑰具有熔點(diǎn)高，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，膨脹系數(shù)低，抗熱震性能以及耐熱疲勞性能好等特點(diǎn)，被廣泛用作高溫材料。然而，鋁存在再結(jié)晶溫度低和室溫強(qiáng)度低、脆性大等缺陷，嚴(yán)重制約了其在高溫領(lǐng)域中的應(yīng)用【3“’。TZM合金是在鋁中加入一定量的Ti、Zr和C而成的一種合金。Ti和Zr的加入是以TIH:和ZrH:的形式加入的，主要有兩個(gè)目的:①Ti和Z:在球磨混合、存放、壓制及燒結(jié)過程中，易于氧化分別生成氧化欽和氧化錯(cuò)，而氧化欽和氧化錯(cuò)的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，有較好的熱穩(wěn)定性，不易分解。②提高Ti和Z:在燒結(jié)過程中的化學(xué)性質(zhì)，以利于生成TIC和ZrC強(qiáng)化相。TZM合金中的TIH:和ZrH:脫氫之后，得到活性較高的Ti和Zr。但是，僅有少量的Ti和zr形成碳化物，起彌散強(qiáng)化作用【，，，。有研究表明‘27’，在140℃時(shí)TzM的氣可達(dá)150MPa。從金相組織上分析，TZM合金晶粒是扁長(zhǎng)晶粒，且晶粒內(nèi)有無數(shù)彌散的碳化物質(zhì)點(diǎn)，不易產(chǎn)生蠕變變形。TZM板在150℃時(shí)觀察其金相組織，發(fā)現(xiàn)晶粒是犬牙交錯(cuò)的鋸齒形，組織結(jié)構(gòu)致密而均勻，晶粒內(nèi)有細(xì)小的彌散質(zhì)點(diǎn)起到彌散強(qiáng)化作用。TZM合金中有90.7%以上的Ti、94.62%以上的Zr和41.8%以上的C固溶到基體鑰中【23’。Ti和z:主要起固溶強(qiáng)化作用，微量Mo一Ti‘3“’和Mo一Z:的固溶體，可以提高鑰的低溫延展性，降低其韌一脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)。元素之間尺寸因子，即溶質(zhì)原子直徑與溶劑原子直徑的差與溶劑原子直徑的比，是決定合金元素之間互溶度的最重要因素之一，當(dāng)元素間尺寸因子的絕對(duì)值較小(一般小于5.0)、同時(shí)元素晶體結(jié)構(gòu)相似時(shí)，就有可能形成連續(xù)固溶。而Ti相對(duì)于Mo的尺寸因子為+4.4，在882℃以上，即在Ti的體心立方結(jié)構(gòu)存在的范圍內(nèi)(Mo為體心立方結(jié)構(gòu))，Ti與Mo形成連續(xù)固溶體。因此，Ti原子易于固溶入Mo基體中。加之TIHZ脫氫所得Ti原子具有高活性，更有利于其向Mo基體的擴(kuò)散。Ti原子進(jìn)入Mo基體中產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的效果，溶質(zhì)原子在基體金屬中的摩爾分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化作用越大，特別是溶質(zhì)原子摩爾分?jǐn)?shù)很低時(shí)，隨著固溶量的增加，強(qiáng)化效應(yīng)的提高更為顯著‘391。Ti在M。中的固溶度較高，部分Mo一Ti固溶體吸收了合金中的微量O，形成靦工幾q氧化物第二相粒子，對(duì)。起到釘扎作用，提高了M。的再結(jié)晶溫度‘40一42’，減少造成鑰室溫脆性的間隙雜質(zhì)O在晶界的富集。第二相粒子對(duì)晶粒長(zhǎng)大具有抑制作用，晶粒細(xì)化，合金的強(qiáng)度得到提高。所以，TZM合金的強(qiáng)化機(jī)理主要是Mo一Ti和Mo一Zr固溶體的固溶強(qiáng)化、以及Ti和Zr的碳化物質(zhì)點(diǎn)所起到的彌散強(qiáng)化。1.4碳纖維碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)過固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。它不屬于有機(jī)纖維范疇，但從制法上看它又不同于普通無機(jī)纖維。碳纖維性能優(yōu)異，不僅 緒論重量輕、比強(qiáng)度大、比模量高，而且耐熱性高、化學(xué)穩(wěn)定性好。20世紀(jì)50年代，為了宇航技術(shù)及軍用火箭中耐熱材料的需求，1950年美國。hio的Wrighi一Paterson空軍基地的研究人員開始研制豁膠基碳纖維。1959年美國聯(lián)合碳化公司將通用級(jí)薪膠基碳纖維“Thomel一25”推向市場(chǎng)?；砟z基碳纖維主要用于耐燒蝕材料和隔熱材料。1959年，日本大阪工業(yè)試驗(yàn)所的進(jìn)藤昭男發(fā)明了利用聚丙烯睛纖維制造碳纖維的新方法。1962年日本炭素公司實(shí)現(xiàn)低模量聚丙烯睛基碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。1963年英國航空材料研究所開發(fā)高模量聚丙烯睛基碳纖維。1965年日本群馬大學(xué)試制成功以瀝青或木質(zhì)素為原料的通用型碳纖維;1970年日本吳羽化學(xué)公司實(shí)現(xiàn)瀝青基碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn);1980年美國金剛砂公司研制出酚醛纖維為原絲的活性碳纖維并投入市場(chǎng)【43，4’。(l)碳纖維的分類‘45’:1)根據(jù)碳纖維的性能可分為:①高性能碳纖維:在高性能碳纖維中有高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等。②低性能碳纖維:這類碳纖維有耐火纖維、碳質(zhì)纖維、石墨纖維等。2)根據(jù)所用原料不同，碳纖維可分為:①聚丙烯睛基碳纖維;②瀝青基碳纖維;③纖維素基碳纖維;④酚酞樹脂基碳纖維;⑤其他有機(jī)纖維基碳纖維。3)根據(jù)制備條件和方法可分為:①碳纖維(炭化溫度在800一1600℃時(shí)得到的纖維);②石墨纖維(炭化溫度在200一3000℃時(shí)得到的纖維);③活性碳纖維;④氣相生長(zhǎng)碳纖維(包括晶須狀納米碳纖維)。(2)碳纖維的制造工藝‘2，4“’碳纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料。它不同于有機(jī)纖維和無機(jī)纖維，不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機(jī)物為原料，采用間接方法制造。制造方法可分為兩種類型，即:氣相法和有機(jī)纖維碳化法。氣相法是在惰性氣氛中將小分子有機(jī)物(如烴或芳烴)在高溫下沉積成纖維。但這種方法只能制造晶須和短纖維，不能制造連續(xù)長(zhǎng)纖維。有機(jī)纖維碳化法是先將有機(jī)纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中，于高溫下進(jìn)行焙燒碳化，使有機(jī)纖維失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。此法可以制造連續(xù)長(zhǎng)纖維。碳纖維從20世紀(jì)50年代發(fā)展到現(xiàn)在，逐步形成了勃膠基碳纖維、聚丙烯睛基碳纖維 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文和瀝青基碳纖維的三大原料體系。用這些原料制造的碳纖維各有特點(diǎn)，制造高強(qiáng)度，高模量多采用聚丙烯睛為原料‘47，。無論采用何種原絲纖維來制造碳纖維，都要經(jīng)過五個(gè)階段:①拉絲:可用濕法、干法、熔融狀態(tài)三種任意一種方法進(jìn)行。②牽伸:通常在100弓0℃范圍內(nèi)進(jìn)行。③穩(wěn)定:通過40℃加熱氧化的方法。④碳化:在100一2000℃范圍內(nèi)進(jìn)行。⑤石墨化:在2000一3000℃范圍內(nèi)進(jìn)行。1.4.1碳纖維的特性a.碳纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)碳纖維是由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料加熱至1500℃所形成的纖維狀碳材料，其化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量的90%以上，元素碳根據(jù)其原子結(jié)合方式不同，可形成金剛石、石墨、卡賓等晶態(tài)，也可形成非晶態(tài)的各種過渡炭【4氣碳纖維的結(jié)構(gòu)取決于原絲結(jié)構(gòu)和碳化工藝，但無論用哪種材料，碳纖維中碳原子平面總是沿纖維軸平行取向。用X一射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)，構(gòu)成此結(jié)構(gòu)的基元是六角形碳原子的層晶格，由層晶格組成層平面。在層平面內(nèi)的碳原子以強(qiáng)的共價(jià)鍵相連，其鍵長(zhǎng)為0.142Inm;在層平面之間則由弱的范德華力相連，層間距(風(fēng)。2)在0.336小0.344Onl之間;層與層之間碳原子沒有規(guī)則的固定位置，因而層片邊緣參差不齊。處于石墨層片邊緣的碳原子和層面內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整的基礎(chǔ)碳原子不同。層面內(nèi)部的基礎(chǔ)碳原子所受的引力是對(duì)稱的，鍵能高，反應(yīng)活性低;處于表面邊緣處的碳原子受力不對(duì)稱，具有不成對(duì)電子，活性比較高。因此，碳纖維的表面活性與處于邊緣位置的碳原子數(shù)目有關(guān)‘48，49’。利用聚丙烯睛方法制備的高模量碳纖維，是以石墨層面的優(yōu)先取向平行于纖維軸的方式組成的螺旋層晶體。晶體由兩個(gè)參數(shù)確定，稱為寬度(平行于纖維軸)和高度(垂直于纖維軸)，纖維的模量強(qiáng)度依賴于層面取向程度;取向程度隨纖維制備工藝中熱處理溫度和抗拉程度的增加而增加。b.碳纖維的性能碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度和斷裂行為的重要因素，碳纖維物化和力學(xué)性能的差別與其微觀結(jié)構(gòu)的差別密切相關(guān)。目前公認(rèn)碳纖維是由二維亂層石墨微晶組成，微晶沿纖維軸向擇優(yōu)取向，碳纖維具有兩相結(jié)構(gòu)，存在宏觀和微觀上的不均勻性。大量實(shí)驗(yàn)觀察證明碳纖維具有皮芯結(jié)構(gòu)，由于在預(yù)氧化階段氧在原絲中的擴(kuò)散較慢，纖維內(nèi)部?jī)H部分地穩(wěn)定化，穩(wěn)定化的外皮在碳化過程中微晶尺寸較大，擇優(yōu)取向程度高。纖維的強(qiáng)度主要來源于外皮。其主要的性能如下:(l)物理性能①密度小。聚丙烯睛系碳纖維的密度在1.73一0沙m，之間，瀝青系碳纖維的密度l2 緒論在1.60一2.20留cm3之間，且隨彈性模量的增大，密度也增大。②強(qiáng)度和模量高。高強(qiáng)度碳纖維的拉伸強(qiáng)度可達(dá)到700OMPa，但斷裂延伸率很小，僅為1%。石墨纖維由于經(jīng)過200℃以上的牽伸熱處理，結(jié)晶完全、晶粒尺寸大、趨向性高，彈性模量可達(dá)到40GPa以上，但斷裂伸長(zhǎng)率僅為0.5%。并且隨溫度的升高，強(qiáng)度和模量下降很小。③線膨脹小，熱導(dǎo)率高。碳纖維的熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)，平行于纖維方向是負(fù)值【(一0.90一0.72)x10一“℃一，】，而垂直于纖維方向是正值，但很小。碳纖維的比熱一般為7.12kJ/(kg·℃)。熱導(dǎo)率有方向性，平行于纖維軸向熱導(dǎo)率為16.75W/(m·K)，而垂直于纖維方向?yàn)?.84W/(m·K)，且熱導(dǎo)率隨溫度的升高而下降。④有導(dǎo)電性，石墨化后導(dǎo)電性增加。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)，在25℃時(shí)，高模量纖維為775啤·cm，高強(qiáng)度碳纖維為150啤·cm。(2)化學(xué)性能①耐熱性好，但抗氧化性較差。碳纖維的化學(xué)性能和碳很相似。在空氣中，溫度高于400℃時(shí)，出現(xiàn)明顯的氧化，生產(chǎn)CO和C02。在不接觸空氣或氧化氣氛時(shí)，碳纖維具有突出的耐熱性。在2000℃以上的高溫惰性氣氛環(huán)境中，碳纖維是惟一強(qiáng)度不降低的材料‘，o:。②耐低溫性好。如在液氮溫度下也不脆化。③還具有耐酸堿腐蝕(強(qiáng)氧化劑除外)及耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。1.4.2碳纖維的增強(qiáng)機(jī)理a.連續(xù)纖維增強(qiáng)機(jī)理連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制，最基本的力學(xué)考慮是從樸素的概念“混合準(zhǔn)則方程”中得出的，假定有一組排成行的、直的連續(xù)纖維埋在基體金屬中形成復(fù)合材料，組成理想的幾何排列，通常是正六邊形或正方形，并且認(rèn)為纖維和基體結(jié)合良好。因此可以得出沿纖維排布方向復(fù)合材料的剛度方程，即Voigt方程(或稱為上限方程):乓一乓稱+氏氣或乓=乓玲+凡(l一稱)(l2)式中:E為楊氏模量，V為體積分?jǐn)?shù)，下標(biāo)f、m和。，分別代表纖維、基體和復(fù)合材料。其中在二元體系中:氣=(l一稱)o這一簡(jiǎn)單的模型可以較好地預(yù)測(cè)單向復(fù)合材料纖維方向的剛度。這是因?yàn)樵诟呃w維含量時(shí)，纖維剛度遠(yuǎn)大于基體，復(fù)合材料的剛度很少受到基體或?qū)嶋H纖維幾何排列的影響，而且界面應(yīng)力僅存在于纖維端部，因此沒有必要考慮界面的作用。但在強(qiáng)度預(yù)測(cè)方面卻不令人滿意，因?yàn)榇藭r(shí)纖維與基體相互作用的影響增大，而且需要考慮纖維與基體的斷裂應(yīng)力。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文b.短纖維增強(qiáng)機(jī)理由于短纖維在基體中的分布是隨機(jī)取向的，對(duì)于纖維來說，只有平行于拉伸方向的分力對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，而垂直于拉伸方向的分力由于不承載而對(duì)拉伸強(qiáng)度沒有貢獻(xiàn)。假設(shè)某一根纖維與拉伸軸所成的角度為e。當(dāng)纖維承載時(shí)，該纖維對(duì)拉伸強(qiáng)的貢獻(xiàn)是afcos，0。如果所有纖維與拉伸方向所成的角度在(0一二/2)內(nèi)均勻分布，則這些纖維對(duì)拉伸強(qiáng)度的貢獻(xiàn)為:(1.3)氣一稱(外獷cos，od“，二O·5外稱因此復(fù)合材料的理論強(qiáng)度了可表示為:口’=丐+氣(l一今=0.5外玲+氣(l一今(l.4)在復(fù)合材料斷裂過程中，主要存在纖維橋聯(lián)、纖維拔出和裂紋偏轉(zhuǎn)三種增韌機(jī)理。如果不考慮這三種機(jī)理的藕合作用，而采用Bengisu等人【”’的疊加方法來評(píng)估纖維增韌效果:(1)纖維拔出造成應(yīng)變能釋放率增加，增量△味為:A吼一(4Vf:，弓)/(3Efr，)(2.5)式中::為基體/纖維剪切強(qiáng)度，:為纖維半徑，幾為拔出長(zhǎng)度。由于纖維是先拔斷后再拔出，因此，:‘外;/(Zlr)。纖維拔出造成的韌性增量斌戶為:嘰=沖吼+印劇(1一刊%一戈(l.6)式中:Gm=嶸(l一嶸)/Em，為基體的應(yīng)變能釋放率。(2)纖維橋聯(lián)提供的增韌效果AKa【521(1.7)、一{階4二饑‘(1一對(duì)，?！?一鐘2式中:編為脫粘纖維長(zhǎng)度，K為復(fù)合材料的泊松比，Ec和乓分別為復(fù)合材料和纖維的彈性模量。(3)(l.7)式是Behe:【’3’等人根據(jù)垂直于裂紋面單向排列的晶須推導(dǎo)出來的，沒有考慮晶須在三維空間的隨機(jī)性。按復(fù)合材料強(qiáng)度的計(jì)算方式修正后得到:(1.8)、一{階二饑‘(1一刁，?！?一鐘2由于纖維的長(zhǎng)徑比大(120/7二17)，因此擴(kuò)展裂紋遇到纖維后完全繞過纖維進(jìn)行偏轉(zhuǎn) 緒論實(shí)際上是很難發(fā)生的，一般是繞纖維偏轉(zhuǎn)一定距離后，纖維就斷裂了。假設(shè)裂紋繞過纖維后形成一個(gè)高度為屯的圓錐體，則裂紋偏轉(zhuǎn)引起斷口面積增加，其相應(yīng)的增韌效果為:2嚴(yán)/.一.(1.9)兒/夕腳二占司(各)’+(、S‘·“，’do式中:兒和入分別為偏轉(zhuǎn)裂紋和未偏轉(zhuǎn)裂紋的應(yīng)變能釋放率。夕為復(fù)合材料中最臨近兩根纖維中心部位之間的距離。4Vr~e產(chǎn)廣刀1門_，，(1.10)辦澎獷萬而工。xl’“己‘辦獷f則由裂紋偏轉(zhuǎn)造成的韌性的增量斌奮為:(1.11)嘰·(而瓦.一l)戈因此復(fù)合材料的斷裂韌性理論值嶸為:嶸=Km+吠，+斌i+斌奮(1·12)c.影響短纖維增強(qiáng)的因素(1)界面性質(zhì)不管是哪種增強(qiáng)機(jī)理都認(rèn)為短纖維與基體的界面結(jié)合是十分重要的。增強(qiáng)的機(jī)理都是外來負(fù)荷力在界面附近發(fā)生變化而部分地被吸收，所以短纖維與基體界面的結(jié)合狀況是短纖維能否對(duì)復(fù)合材料起到增強(qiáng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。①界面結(jié)合力。界面結(jié)合力分為物理結(jié)合力和化學(xué)結(jié)合力。目前主要由斷口形貌來定性判斷。界面如果是物理結(jié)合，外界載荷主要通過摩擦力傳遞給短纖維，這種情況下短纖維從基體中拔出，斷口有明顯的拔出痕跡和短纖維頭。界面如果是化學(xué)結(jié)合，拔出效應(yīng)不明顯，斷口拔出痕跡少，拔出短纖維頭短。界面結(jié)合太強(qiáng)，短纖維可以增強(qiáng)但沒有增韌效果，呈脆性斷裂特征;界面結(jié)合力太弱，外界負(fù)載不能被有效地傳遞給短纖維，起不到增韌的效果;當(dāng)界面結(jié)合力適當(dāng)時(shí)，既能有效地將負(fù)載由基體傳遞給短纖維，又可以使裂紋尖端后部的開裂區(qū)能夠形成，短纖維增韌效果明顯。②物理匹配。當(dāng)基體與短纖維為物理結(jié)合時(shí)，應(yīng)注意彈性模量和膨脹系數(shù)的匹配。短纖維與基體彈性模量和膨脹系數(shù)應(yīng)接近，如果嚴(yán)重失配，會(huì)在界面處產(chǎn)生很大的剪切力，造成宏觀裂紋，使復(fù)合材料力學(xué)性能惡化。一般要求:一是短纖維彈性模量大于基體;二是短纖維的膨脹系數(shù)稍大于基體或二者盡量接近。③化學(xué)相容。若短纖維與基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將造成短纖維損傷或是短纖維和基體的改性，對(duì)增強(qiáng)的效果就會(huì)減弱，如果反應(yīng)是連續(xù)的，那么就達(dá)不到增強(qiáng)的目的。所以應(yīng)避免短纖維與基體之間的化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)界面可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算化學(xué)自由能的變化，來判斷短纖維與基體是否是熱力學(xué)穩(wěn)定體系。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文(2)短纖維的性質(zhì)①短纖維尺寸。要從短纖維的長(zhǎng)徑比來考慮。隨著短纖維長(zhǎng)徑比的增加，短纖維完整性越好，結(jié)構(gòu)中所包含的缺陷也會(huì)減少，短纖維性能越高。但是短纖維長(zhǎng)徑比越小導(dǎo)致單位體積用量的增多和界面面積增大，在基體中不易分布均勻，造成復(fù)合困難。②短纖維含量。短纖維含量的不同將影響到增強(qiáng)機(jī)理和復(fù)合材料的斷裂模式。如果短纖維含量過高，易形成團(tuán)聚，在基體中分散不均勻，復(fù)合材料的斷裂韌性值不會(huì)太高;反之如果短纖維含量過低，不但起不到增強(qiáng)的作用，反而成為多余夾雜甚至成為缺陷源。因此短纖維只在一定的含量下，才能有效實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)作用。③短纖維強(qiáng)度。增強(qiáng)效應(yīng)分析顯示短纖維的強(qiáng)度是很重要的。根據(jù)前人研究表明，隨著短纖維強(qiáng)度的增加，橋接增韌效應(yīng)也增加。同樣拔出效應(yīng)也隨短纖維強(qiáng)度增加而增加。而含缺陷的短纖維導(dǎo)致增韌效果降低。④短纖維排布。短纖維在基體中的排布方向?qū)υ鰪?qiáng)效果影響很大。1.43碳纖維增強(qiáng)金屬基材料的應(yīng)用碳纖維是目前世界上首選的高性能增強(qiáng)材料。碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異且密度小，是目前可作為金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)物的高性能纖維中最便宜的一種，因此受到廣泛應(yīng)用。由于碳纖維具有高的比強(qiáng)度、耐高溫、導(dǎo)電、質(zhì)輕、設(shè)計(jì)性好、易加工、抗疲勞斷裂性好和可大面積整體成型等多種獨(dú)特而優(yōu)異的性能，正逐步征服和取代傳統(tǒng)材料，具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展空間。目前不僅已被廣泛應(yīng)用于航天、航空和始終處于科技最前沿的軍事領(lǐng)域，在機(jī)械電子、建筑材料、文體、化工、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域也有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)纖維，金屬為基體的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與金屬材料相比，具有高的比強(qiáng)度和比模量;與陶瓷相比，具有高的韌性和耐沖擊性能。金屬基體多采用Al、Mg、Ti、Ni及它們的合金等。其中，碳纖維增強(qiáng)Al、Mg復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料現(xiàn)己成為制造衛(wèi)星、航天飛機(jī)等構(gòu)件的理想材料。用C/A1復(fù)合材料制成的導(dǎo)航系統(tǒng)和航天天線，可有效地提高其精度;用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成的衛(wèi)星拋物面天線骨架，熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好，可在較大溫度范圍內(nèi)保持其尺寸穩(wěn)定，使衛(wèi)星拋物面天線的增益效率提高4倍。D場(chǎng)伙公司用石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為NASA和Loc比eed公司制造衛(wèi)星的波導(dǎo)管。復(fù)合材料波導(dǎo)管不但軸向剛度高、膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性能好，而且比原用石墨/環(huán)氧一鋁層復(fù)合制成的波導(dǎo)管還輕30%【’4’。1.5課題研究的背景及意義鑰是具有重要戰(zhàn)略意義的稀有金屬，其熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、硬度高、耐磨性和導(dǎo)熱導(dǎo)電性好，此外，鋁合金膨脹系數(shù)小、耐蝕性能好，因而廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、石油、化工、國防、航空航天、電子、核工業(yè)等諸多領(lǐng)域。鑰的生產(chǎn)過程是復(fù)雜的物理化學(xué)過程，工業(yè)上多數(shù)選用從鋁酸錢開始，經(jīng)熱分解、氫氣還原的工藝方法得到鋁粉。在制備鋁粉的生產(chǎn) 緒論過程中，需要料舟在約1000℃的高溫、還原性氣氛下盛載著氧化鋁粉末沿反應(yīng)室移動(dòng)，移動(dòng)的過程中，料舟之間相互推動(dòng)，料舟與料舟以及料舟與反應(yīng)室之間存在著碰撞和磨擦，料舟在進(jìn)出反應(yīng)室時(shí)，反復(fù)經(jīng)受冷熱沖擊。因此，要求料舟在約100℃的高溫下長(zhǎng)期具有良好的高溫強(qiáng)度、韌性、耐磨性及化學(xué)、尺寸穩(wěn)定性。當(dāng)料舟破裂、變形、尺寸超限時(shí)便不能再繼續(xù)使用，需要更換新的料舟。料舟的消耗是鋁粉生產(chǎn)成本的一個(gè)重要部分。另外，由于料舟的質(zhì)量問題，經(jīng)常因其破裂、變形、尺寸超限而卡在生產(chǎn)線上導(dǎo)致停產(chǎn)(卡舟事故)。排除卡舟事故，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且直接影響了鋁粉的質(zhì)量和產(chǎn)量。除此之外，制造料舟的材料中往往含有多種元素甚至含有對(duì)于鑰粉來說屬于有害性質(zhì)的元素，它們有可能會(huì)以不同的方式進(jìn)入鑰粉形成污染，影響了鋁粉的品位。因此，料舟是鋁粉生產(chǎn)中的關(guān)鍵部件之一。然而，由于鋁粉生產(chǎn)中的特殊工況條件，長(zhǎng)期以來，料舟的質(zhì)量一直不能完全滿足生產(chǎn)要求，嚴(yán)重地影響著鑰粉的品位、成本和產(chǎn)量。料舟(見圖1一2)是一種形狀、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的部件，料舟的質(zhì)量問題，實(shí)際上主要是料舟材料的質(zhì)量問題。目前，鋁粉生產(chǎn)中的料舟其材料主要是鐵、鎳、鉻基高溫合金以及這些合金通過添加其它合金元素、固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化等措施形成的改良材料。如2520、ICrl8NigTi、5304、AM5536)等。這些材料在800oC以下的溫度，性能尚可，但在1000℃的溫度下使用，就不能滿足使用要求。所以，目前的料舟，使用壽命都比較短，一般情況下，使用周期均不超過兩個(gè)月。圖1一2料舟Fig.l一2Thevessel基于料舟的使用性能要求，需要一種性能優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料。對(duì)于高溫下使用的結(jié)構(gòu)材料，人們已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)期、大量的研究，取得了豐富的研究成果。然而，遺憾的是，對(duì)于高溫結(jié)構(gòu)材料的研究與應(yīng)用，人們的注意力過于集中在航空航天軍工領(lǐng)域而在其它領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究與應(yīng)用顯得十分薄弱。航空航天軍工領(lǐng)域性質(zhì)特殊，在這些領(lǐng)域內(nèi)使用的材料，價(jià)格幾乎不受限制，而在普通工業(yè)領(lǐng)域，制備材料的成本是不能不考慮的因素。所 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文以，迄今，盡管已有一些性能優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)材料，但由于它們大多是針對(duì)航空航天軍工領(lǐng)域的研究成果，價(jià)格奇高，尚不能應(yīng)用于普通工業(yè)領(lǐng)域。另外，高溫結(jié)構(gòu)材料對(duì)于工況條件比較敏感，一些工況下性能優(yōu)異的材料，在另一些工況下并非如此。在鋁粉生產(chǎn)中作為料舟使用的材料，不僅要求同時(shí)具有良好的高溫強(qiáng)度、韌性、耐磨性及化學(xué)、尺寸穩(wěn)定性，抗熱沖擊，而且在高溫下不能與氫或鋁反應(yīng)。否則，難以勝任。本課題研究的目的是通過對(duì)短碳纖維增強(qiáng)TZM基復(fù)合材料性能的研究，開發(fā)出一種能滿足料舟使用要求的新材料，從而解決鋁粉生產(chǎn)過程中，料舟使用壽命短，極易損壞等質(zhì)量問題。因此，本課題具有重要的實(shí)際意義。目前國內(nèi)對(duì)于用碳纖維增強(qiáng)鋁基合金的研究報(bào)道暫時(shí)還沒有。因此，本課題的研究也為鋁基復(fù)合材料的研究開辟了一條新途徑。 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法2試驗(yàn)方案及測(cè)試方法本文研究用粉末冶金法制備C/TZM復(fù)合材料。以短碳纖維加入量對(duì)復(fù)合材料的影響為主要研究對(duì)象。通過測(cè)試復(fù)合材料的密度、硬度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性等力學(xué)性能以及分析拉伸試樣的斷口形貌和微觀組織，找出影響C/TZM復(fù)合材料力學(xué)性能的因素;結(jié)合SEM、XRD等分析，確定制備C/TZM復(fù)合材料的最佳碳纖維含量。2.1試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)思路TZM合金是在鋁中加入微量的Ti、Zr和C，Ti和Zr形成Mo一Ti和M小Zr的固溶體起固溶強(qiáng)化、以及Ti和Zr的碳化物質(zhì)點(diǎn)起彌散強(qiáng)化的作用。因此，TZM合金具有熔點(diǎn)高，強(qiáng)度大，彈性模量高，膨脹系數(shù)小，蒸氣壓低，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，抗蝕性強(qiáng)以及高溫力學(xué)性能良好等特點(diǎn)。但是，在常溫下，TZM合金表現(xiàn)出很強(qiáng)的低溫脆性。為了解決常溫下TZM合金的低溫脆性問題，本試驗(yàn)在TZM合金中添加短碳纖維，以達(dá)到進(jìn)一步提高TZM合金強(qiáng)度和改善室溫下脆性的目的。試驗(yàn)在TzM合金中，添加含量分別為2%、5%、8%(體積分?jǐn)?shù))的短碳纖維，制備三種不同的TZMC系列(牌號(hào)為TZMCI、TZMCZ、TZMC3)試樣，在1800oC的溫度氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，得到致密的燒結(jié)制品。研究不同的碳纖維含量對(duì)試樣密度和力學(xué)性能的影響，通過光鏡、SEM、XRD觀察分析，探討碳纖維的增強(qiáng)機(jī)理。根據(jù)分析結(jié)果確定TZMC系列試樣中碳纖維的最佳含量。試驗(yàn)整體思路圖如2一1所示。、通過光鏡、SEM和XRD短碳纖維含量為:觀察分析、短碳纖維增強(qiáng)機(jī)理探討O%、2%、5%和8%的試樣在1800℃下燒結(jié)2、密度、硬度、抗拉強(qiáng)度和2、確定短碳纖維的含量沖擊韌性的測(cè)試及分析圖2一1試驗(yàn)整體思路圖Fig.2一1Theoverallthoughtdiagr田moftheexPeriment2.2試驗(yàn)原料與組成2:21主要原料主要的原材料有:碳纖維、鋁粉、TIHZ粉、ZrHZ粉、碳(石墨)粉。碳纖維:試驗(yàn)所選用的碳纖維是河北晶鑫科技有限公司生產(chǎn)的高模量碳纖維(石墨纖維)。該公司采用射頻法工藝將經(jīng)過碳化后的具有導(dǎo)電性質(zhì)的碳纖維，在牽伸狀態(tài)下用射頻感應(yīng)加熱的方法把碳纖維加熱到2500~270℃，使碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)9%以上，使亂層結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S有序結(jié)構(gòu)，纖維的模量大為提高，成為高模量的碳纖維(石墨纖維)‘5’。該纖 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文維的物理性能如表2一1所示。表2一1碳纖維的物理性能Tab.2一1ThePhysiealProPertiesoftheearbonfiber平均直徑密度抗拉強(qiáng)度彈性模量斷后伸長(zhǎng)率(林m)(妙m，)(MPa)(GPa)(%)51.824003801.45鋁粉:試驗(yàn)所選用的鋁粉為金堆城鋁業(yè)有限公司所生產(chǎn)，鋁粉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表2一2所示。表2一2鑰粉的化學(xué)成分幾b.2一2TheehemiealeonstituionoftheMoPowder化學(xué)成分MoC051FeAINiCa含量(%)余量0.0030.0040.00210.00340.0020.0090.0016TIHZ、ZrH:粉:試驗(yàn)所選用的TIHZ、ZrHZ粉末是西安寶德粉末冶金有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的。TIH:粉末密度為3.8叭，在40℃緩慢分解，真空中在60一80℃完全脫氫?；瘜W(xué)穩(wěn)定性較高，不和空氣及水作用，但易和強(qiáng)氧化劑作用。ZrHZ粉末為灰色至黑色粉末，不溶于水、溶于氫氟酸。具有強(qiáng)還原性。與氧化劑能發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。受熱或遇潮氣、酸類放出氫氣和熱量，可引起燃燒或爆炸。碳(石墨)粉:試驗(yàn)所選用的石墨粉是西安永紅化工原料公司所提供的，粒度是40目。石墨無毒無害，是碳元素的結(jié)晶礦物之一。石墨具有潤滑性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫、特殊的導(dǎo)熱性和可塑性、涂敷性、不滲漏、不滲水、耐腐蝕、不降解等優(yōu)良性能。2.22成分與組成試驗(yàn)中的試樣是以鑰粉主要原料，用碳纖維作為增強(qiáng)相，加入量為體積分?jǐn)?shù)的2%~8%，以TIHZ、ZrH:和碳(石墨粉)作為添加劑，用石蠟作為成型劑，經(jīng)球磨混合、壓制成型、燒結(jié)成致密的復(fù)合材料。試樣的成分組成如表2一3所示。表2一3試樣的成分組成幾b.2一3TheeomPositionofthesamPleformula組元M。TIHZZrHZC(石墨粉)C纖維牌號(hào)\.質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)體積分?jǐn)?shù)(%)TZM余量0.080.03TZMCI余量0.080.03余量0.080.03余量0.080.03 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法2.3性能測(cè)試方法及顯微組織觀察23.1碳纖維抗拉強(qiáng)度的測(cè)量由于碳纖維很脆，直接將碳纖維固定在電子單纖維強(qiáng)力儀的上下夾持器中時(shí)很容易折斷。試驗(yàn)中將碳纖維先固定在硬襯紙上，硬襯紙的厚度大約為0.08~0.6Inln。硬襯紙的尺寸設(shè)計(jì)如圖2一2所示。(l)試驗(yàn)設(shè)備:YG004E型電子單纖維強(qiáng)力儀(寧波紡織儀器廠生產(chǎn))。(2)試驗(yàn)方法如下‘58]:①將試驗(yàn)用硬襯紙的中心線上涂適量粘著劑。②抽取15們。p以以上的單根碳纖維，粘在硬襯紙的中心線上，注意使纖維平直，但不可給纖維施加過大的力以免使之損傷。③待粘著劑干后，取下電子單纖維強(qiáng)力儀的上夾持器，將硬襯紙夾入其中，并使硬襯紙的長(zhǎng)方形孔上邊沿與鉗口平齊。④掛上上夾持器，并將硬襯紙的另一端夾入下夾持器中。⑤輕輕剪開硬襯紙的兩側(cè)。⑥進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。}.了、川粘合劑圖2一2硬襯紙規(guī)格Fig.2一2ThesPeeifieationofchiPboard(3)抗拉強(qiáng)度計(jì)算方法碳纖維拉伸強(qiáng)度可按式(2一l)計(jì)算:F叮=—(2一1)A式中:。一單纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度(N/mZ);F一單纖維被拉斷時(shí)施加的力(N);A一單纖維的截面積(mZ)。單纖維的截面積按式(2一2)計(jì)算: 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文一4l一才娜x10一，，(2一2)式中:只一單纖維的纖維直徑(聲m)o2.3.2密度測(cè)試在粉末冶金的科研生產(chǎn)中，測(cè)量密度有兩種方法直接測(cè)量法和液體介質(zhì)測(cè)量法。對(duì)于產(chǎn)品形狀比較規(guī)則的，可用直接測(cè)量法，即稱量該物體的質(zhì)量，用一定精度的卡尺量出產(chǎn)品的尺寸，再計(jì)算出體積，所得商即為該燒結(jié)制品的體積密度。試驗(yàn)的試樣體積密度利用阿基米德排水法原理進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法如下:在空氣中，用天平測(cè)量出干燥狀態(tài)下的試樣質(zhì)量(鞏);在液體在中，測(cè)量試樣質(zhì)量(嗽);試樣密度可按公式(2一3)計(jì)算:尸_一_二鞏二，下幾二一(2一3)尸a一沖:式中:幾一液體的密度。2.3.3硬度的測(cè)定硬度是材料中最常用的性能指標(biāo)之一，指具有一定形狀和尺寸的較硬物體壓在材料表面上時(shí)，材料本身所具有的變形抗力。硬度值的大小不僅取決于材料成分和組織結(jié)構(gòu)，而且取決于測(cè)量的條件和方法。試驗(yàn)硬度在布氏硬度計(jì)HB一3000型上測(cè)定。試驗(yàn)過程中負(fù)荷保持時(shí)間為105。布什硬度可按公式(2一4)計(jì)算:月__萬__伴，=U_·曰IU_藝_x一分萬竺一一Z下F于于=井不(2一4)‘烈D一V了一“‘)式中:萬矽公一布氏硬度;F一試驗(yàn)力;D一球體直徑;d一壓痕直徑。2:34抗拉強(qiáng)度的測(cè)定抗拉強(qiáng)度(氣)也叫強(qiáng)度極限指材料在拉斷前承受最大應(yīng)力值。試驗(yàn)對(duì)室溫抗拉強(qiáng)度的測(cè)定，采用HT-24OZ一1oKN電腦伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)。測(cè)試方法及拉伸試樣的尺寸和形狀按標(biāo)準(zhǔn)GB汀228一2002進(jìn)行?？估嚇映叽缛鐖D2一3所示。 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法..注:L=60mm，L。=30mm，H=12mm，R=smm，d=smm，M二smm.圖2一3抗拉強(qiáng)度試樣Fig.2一3ThesamPleoftensilestrength2:3沖擊韌性測(cè)試試驗(yàn)采用JB一5型手動(dòng)擺錘式試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的沖擊韌性。沖擊試樣用電火花線切割及磨床加工成10rn們Qx10nlnx5rn們n的無缺口沖擊韌性試樣(見圖2一4)沖擊值氣可按公式(2一5)計(jì)算:(2一5)氣=Ax/F式中:人一沖擊功;F一試樣截面積。全部琴肖口……三圖2一沖擊韌性試樣Fig.2一4ThesamPleofimPacttoughoess2.36顯微組織觀察(l)金相組織觀察金相組織觀察在OLYMPUS金相光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行。將沖擊試驗(yàn)后的試樣加工成10rnrn、IOrnln、IOror。的尺寸，經(jīng)砂輪機(jī)上粗磨倒角~水砂紙粗磨一水砂紙細(xì)磨~拋光一酒精沖洗烘干后，用月Wq:叢‘q:叢口二5:3:2(體積比)的混合溶液腐蝕2一5秒，觀察金相組織并照相。(2)X射線衍射分析將沖擊試驗(yàn)后的試樣加工成10rnrnX10mrnx10Inrn的尺寸，經(jīng)倒角、粗磨、細(xì)磨、拋23 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文光后，不腐蝕，在XRD一705型X射線衍射儀上進(jìn)行材料組織分析。(3)微區(qū)成分的能譜分析在電子顯微鏡組織觀察過程中，選擇典型組織對(duì)他們進(jìn)行能譜成分分析。(4)斷口形貌觀察從沖擊斷裂試樣上截取斷口部分，在超聲波清洗儀中經(jīng)酒精清洗后在JsM一6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)下進(jìn)行斷口觀察。 短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料的制備工藝3短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料的制備工藝采用粉末冶金的方法制備C/TZM復(fù)合材料，制備工藝流程主要包括四個(gè)部分:混料、添加成形劑、壓坯成型和燒結(jié)。3.1混料在混合原料的制備過程中，短碳纖維分散是一項(xiàng)關(guān)鍵的工藝。如控制不好或方法不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致碳纖維與基體混合不良，纖維堆積，偏聚嚴(yán)重基體疏松，易產(chǎn)生孔洞。短碳纖維與金屬粉末的混合存在兩個(gè)問題:一是碳纖維易于纏結(jié)，如糾纏的纖維數(shù)目過多，就會(huì)引起復(fù)合材料的強(qiáng)度變化，當(dāng)纖維的方向性不佳并在糾纏狀態(tài)下成型時(shí)，纖維也會(huì)斷裂，使增強(qiáng)效果下降。二是碳纖維與金屬粉末比重懸殊，混合時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的比重偏析，稍一震動(dòng)，碳纖維就會(huì)冒出表面并形成塊狀纏結(jié)。短纖維只有在分散狀況良好的情況下，才能充分發(fā)揮其增強(qiáng)效果。尤其是當(dāng)短纖維含量較高時(shí)，短纖維之間存在相互吸引的傾向而容易發(fā)生團(tuán)聚，影響材料的性能r57，。33.1碳纖維的清洗碳纖維清洗的目的是除去碳纖維表面的灰塵、雜質(zhì)等贓物。首先，將碳纖維切成2一3~的短碳纖維。然后，將短碳纖維浸泡于酒精溶液中，用玻璃棒將碳纖維充分?jǐn)嚢韬?，靜置，待碳纖維基本沉淀后，倒去酒精，此法重復(fù)三次。3.3.2碳纖維的分散碳纖維切成2一3rnrn的短碳纖維后，長(zhǎng)徑比大，容易團(tuán)聚。因此，在混料之前必須進(jìn)行分散處理。分散設(shè)備:KQ116型超聲波清洗機(jī);分散方法:在短碳纖維中加入適量的分散劑(酒精)，利用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行超聲波分散，同時(shí)加以攪拌，分散IOmin，使短碳纖維的纏繞現(xiàn)象盡可能地消失。分散完成后，濾掉酒精，將短碳纖維放入烘箱中至纖維完全干燥，然后將烘干所得的團(tuán)絮狀碳纖維過12目篩，消除纖維的團(tuán)聚體，使短碳纖維得到初步分散。33.3碳纖維與基體的混合試驗(yàn)中采用球磨法將基體粉末顆粒與短碳纖維混合均勻。球磨設(shè)備以及參數(shù)如下:球磨設(shè)備:自制球磨機(jī)(見圖3一l);球磨桶:尼龍桶，尺寸為:。110~、巧O~(見圖3一2);磨球:硬質(zhì)合金球，尺寸為:。10~、小12~;球磨介質(zhì):酒精;球磨轉(zhuǎn)速:80r/mln;球磨工藝:為了既不破壞碳纖維，又能將復(fù)合材料混合均勻，試驗(yàn)中先將鋁粉、Ti玩 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文粉、ZrHZ粉和石墨粉按配方的比例混合后，放入到尼龍桶中球磨，球磨時(shí)間為8小時(shí)。再將短碳纖維與基體粉料混合在一起放到球磨桶中球磨2小時(shí)。然后，取出復(fù)合材料粉料過12目篩使部分重新團(tuán)聚的碳纖維得到分散。最后，將復(fù)合材料粉料放到球磨桶中再球磨4小時(shí)。圖3一1球磨機(jī)Fig.3一1Theballmill圖3一2球磨桶Fig·3一ZTheballingdrum在混合原料的制備過程中，球磨機(jī)的工作原理是當(dāng)尼龍桶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，裝在尼龍桶內(nèi)的磨球和被研磨物料在摩擦力和離心力的作用下隨尼龍桶旋轉(zhuǎn)至一定高度，然后自動(dòng)落下，對(duì)尼龍桶內(nèi)物料產(chǎn)生沖擊和磨削作用而將物料磨碎。球磨過程中對(duì)混合料的作用主要表現(xiàn)在四個(gè)方面:(l)混合作用:通過球磨可使混合料各組分均勻混合，制取性能優(yōu)良的混合料。(2)磨碎作用:原料粉末通過球磨進(jìn)一步磨碎，在球磨過程中，大顆粒被磨碎成許多小顆粒，使粉末體的表面積增大。這時(shí)，球磨過程中磨球?qū)Ψ勰┧鞯钠扑楣D(zhuǎn)變?yōu)榉勰w的表面能，使粉末體的能量大大提高，從而有利于燒結(jié)。26 短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料的制備工藝(3)活化作用:在球磨過程中，除混合和破碎作用外，球的沖擊、摩擦作用還使粉末顆粒產(chǎn)生晶格彎曲、畸變、加工硬化、內(nèi)應(yīng)力增加。這些變化都使粉末體的能量增加，從而使粉末顆粒活化，對(duì)燒結(jié)過程有促進(jìn)作用。(4)氧化作用:混合料在球磨過程中的氧化是一種有害作用?；旌狭显谇蚰ミ^程中產(chǎn)生氧化的原因是金屬物料的電化腐蝕?；旌狭显谇蚰r(shí)遭到強(qiáng)烈的變形，使其物理狀態(tài)(畸變和應(yīng)力)極不均勻，在含氧介質(zhì)中因而產(chǎn)生氧化作用，從而造成金屬組分的氧化‘5s’。12添加成形劑金屬粉末在壓制時(shí)由于模壁與粉末之間，粉末與粉末之間產(chǎn)生摩擦出現(xiàn)壓力損失，造成壓力和密度分布不均勻，為了改善粉末成形性能，增加粉末壓坯的強(qiáng)度，在壓坯前需要添加成形劑或潤滑劑。試驗(yàn)中所使用的成形劑為石蠟。石蠟的主要優(yōu)點(diǎn)是殘留雜質(zhì)極少，其殘留物可控制在0.1%以下，對(duì)復(fù)合材料的污染小。成形劑的制備:將固體石蠟2鮑切成小塊，放入盛有60ml的汽油玻璃瓶中。然后，將玻璃瓶放入水溫在70℃~90℃的器皿中，待石蠟熔化。將經(jīng)過球磨的復(fù)合材料粉末攤平，用噴霧器把石蠟汽油溶液均勻地噴到粉料上，石蠟的添加量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，加入成形劑后的粉料待干燥后進(jìn)行壓制。3.3壓制成形壓制成形是粉末冶金工藝過程中最重要及最基本的工序之一。它是將松裝粉末壓制成所需形狀及強(qiáng)度(密度)的壓坯。壓坯的質(zhì)量直接影響著粉末冶金制品的最終質(zhì)量。粉末壓制成形是粉末冶金生產(chǎn)的基本成形方法。在壓模中填裝粉末，再在壓力機(jī)下加壓，脫模后即可得到所需形狀和尺寸的壓制品。模壓成形工藝包括稱料、裝模、壓制、脫模，以及壓塊干燥、修形和壓塊加工等工序。壓制成形過程可粗略地分為三階段:在第一階段中，壓塊密度隨壓力增加而迅速增大，這是因?yàn)榉勰┑墓皹颥F(xiàn)象在不大的壓力作用下迅速消除，粉末顆粒移動(dòng)距離較大，使孔隙急劇減少。在第二階段中，壓塊密度增加緩慢，這是由于大量的孔隙在第一階段己消除，繼續(xù)增加壓力的結(jié)果主要是使顆粒發(fā)生彈性變形。在第三階段中，壓力的增大有可能達(dá)到粉末材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，粉末顆粒在此壓力下產(chǎn)生塑性變形或脆性斷裂。顆粒塑性變形的方向指向壓塊中的孔隙，因此，材料填入孔隙，結(jié)果使壓塊密度增大。顆粒脆性斷裂時(shí)，會(huì)使斷裂碎塊填入孔隙，從而使壓塊密度增大。本試驗(yàn)粉末壓制成形方法以及壓制過程中的工藝參數(shù)如下:壓制方法:單向壓制(壓制示意圖見圖3一3); 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文壓力機(jī)型號(hào)為:y刀000型萬能液壓機(jī);壓力為:350MPa;保壓時(shí)間為:105。上模沖陰模粉末卜又介抓父今扮興喇一一下模沖圖3一3壓制示意圖Fig.3一3ThePressingsehematiediagr田的3.4燒結(jié)燒結(jié)是將粉末或壓坯在低于主要組成熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行的熱處理。目的是使粉末顆粒間產(chǎn)生冶金結(jié)合，即使粉末顆粒之間由機(jī)械嚙合轉(zhuǎn)變成原子之間的晶界結(jié)合。試驗(yàn)中C/TZM復(fù)合材料的燒結(jié)方式以及燒結(jié)的工藝參數(shù)如下:燒結(jié)方式:固相燒結(jié);燒結(jié)設(shè)備:型號(hào)為HM3O02、功率為160KW、爐體的尺寸為小400火600的中頻感應(yīng)燒結(jié)爐;燒結(jié)氣氛:氫氣;燒結(jié)工藝:試驗(yàn)設(shè)計(jì)在燒結(jié)溫度為180℃下，對(duì)壓坯試樣進(jìn)行燒結(jié)，制備出四組不同的試樣，每組有3個(gè)抗拉試樣和3個(gè)沖擊試樣。具體的燒結(jié)工藝見圖3一4。側(cè)明︶︵卯1800℃保溫4h1200℃保溫Zh時(shí)間(h)圖3一C汀ZM復(fù)合材料的燒結(jié)工藝圖Fig.3一Thesinteringdiagr印的ofC汀ZMeomPosites 短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料的制備工藝燒結(jié)的具體步驟如下:①將冷壓所得的坯料，放入中頻感應(yīng)燒結(jié)爐的爐膛內(nèi);②室溫下，采用下進(jìn)氣上出氣的通氣方法，向中頻感應(yīng)燒結(jié)爐通入純度為9.9%的氫氣，通氣時(shí)間為Zh，目的是排除中頻感應(yīng)燒結(jié)爐中的空氣;③打開中頻感應(yīng)燒結(jié)爐的電源，設(shè)定好燒結(jié)溫度，升溫到設(shè)定溫度后記錄時(shí)間;④燒結(jié)完成后，試樣隨爐冷卻。3.5制備工藝圖短碳纖維增強(qiáng)TzM合金基復(fù)合材料的制備工藝流程如圖3一5所示。Mo粉T此粉Zr比粉石墨粉配料短C纖維球磨分散球磨石蠟成形劑干燥壓制成形燒結(jié)試樣圖3一短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料的制備工藝流程圖Fig.3一5TheProeessflowdi叫獷amofshortearbonfiberreinforcedTZMeomPosites 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維和TZM合金的影響4.1概述粉末冶金的燒結(jié)過程主要要達(dá)到兩個(gè)目的:其一，通過高溫下金屬的擴(kuò)散產(chǎn)生燒結(jié)頸將原來以機(jī)械方式壓實(shí)的金屬顆粒鍵合起來，形成一個(gè)金屬實(shí)體。要實(shí)現(xiàn)這一過程，需要一個(gè)具有還原性的燒結(jié)氣氛。這樣，一方面可以將原來金屬顆粒表面的氧化層還原，達(dá)到顆粒間金屬一金屬原子的接觸及鍵合，另一方面可保證新建成的燒結(jié)頸不被因氧化而破壞。燒結(jié)過程第二個(gè)目的即是實(shí)現(xiàn)整個(gè)被燒結(jié)材料系統(tǒng)的合金化，因?yàn)樵撓到y(tǒng)的合金元素大部分是以混粉的形式加到基體粉末之中的。燒結(jié)過程中各種金屬元素間的相互擴(kuò)散及在冷卻過程中它們對(duì)相變的影響都需要有一個(gè)良好的燒結(jié)氣氛作保證。燒結(jié)氣氛的作用是控制壓坯與環(huán)境之間的化學(xué)反應(yīng)和清除潤滑劑的分解產(chǎn)物，具體有六個(gè)方面【3，，59】:(l)防止或減少周圍環(huán)境對(duì)燒結(jié)產(chǎn)品的有害反應(yīng)，如氧化、脫碳等，從而保證燒結(jié)順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。(2)排除有害雜質(zhì)，如吸附氣體、表面氧化物或內(nèi)部夾雜。凈化后通?？商岣邿Y(jié)的動(dòng)力，加速燒結(jié)速度，而且能改善燒結(jié)制品的性能。(3)保證燒結(jié)爐內(nèi)的氣壓永遠(yuǎn)高于爐外的大氣壓。(4)當(dāng)燒結(jié)爐的某一部分產(chǎn)生漏氣(leaking)現(xiàn)象時(shí)緩沖爐內(nèi)氧化的發(fā)生。(5)維持或改變燒結(jié)材料中的有用成分，這些成分常常能與燒結(jié)金屬生成合金或活化燒結(jié)過程。(6)用同一燒結(jié)爐燒結(jié)不同合金系統(tǒng)的部件時(shí)，在其之間清潔爐內(nèi)的雜質(zhì)。4.2燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維的性能影響利用粉末冶金方法在制備TZM合金的過程中，常常選用還原性氣體氫氣作為高溫?zé)Y(jié)的保護(hù)氣體。然而，本試驗(yàn)制備碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料，在高溫?zé)Y(jié)的過程中，氫氣將與碳纖維發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使得碳纖維的力學(xué)性能下降，對(duì)TZM合金的增強(qiáng)作用將大大降低，甚至?xí)档蚑ZM合金的力學(xué)性能。為了既保證碳纖維的力學(xué)性能，又能保證制備性能優(yōu)良的C/TZM復(fù)合材料，本試驗(yàn)采用惰性氣體氫氣作為高溫?zé)Y(jié)的保護(hù)氣體，并研究燒結(jié)不同的氣氛對(duì)碳纖維表面及斷口形貌、質(zhì)量以及抗拉強(qiáng)度的影響。4.2.1燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維表面及斷口形貌的影響試驗(yàn)中采用中頻感應(yīng)燒結(jié)爐，將碳纖維在氫氣和氫氣氣氛中進(jìn)行熱處理。通入氣體的流量為2xlo4耐/min，升溫速度為looC/min，分別在l000oC、1200oC、1500oC和ls000C的溫度下保溫Zh，然后隨爐冷卻。在氫氣和氫氣氣氛下，經(jīng)過不同溫度的熱處理后，通過掃描電鏡(SEM)，可以從微觀觀察碳纖維的表面及斷口形貌的變化情況。在氫氣和氫氣氣氛下，不同的熱處理溫度對(duì)碳纖維的表面及斷口形貌的影響見圖4一1和圖4一2。30 /﹃丫1注“”...一飛仗1洲「1 燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維和TZM合金的影響從圖4一1可以看出，在氫氣氣氛下，熱處理溫度為100℃時(shí)，碳纖維的表面比較潔凈，斷口處沒有出現(xiàn)明顯的裂紋、孔洞等缺陷，見圖(c)(d);熱處理溫度為120℃時(shí)，碳纖維表面有呈細(xì)絨毛狀的附著物，見圖(f);熱處理溫度為150℃時(shí)，碳纖維表面出現(xiàn)了大量的孔洞和凹坑，完全破壞了碳纖維的結(jié)構(gòu)，見圖(g)(h)。當(dāng)溫度為180℃時(shí)，碳纖維已經(jīng)消失。這主要是由于碳纖維與氫氣發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)如下:C(s)+2從(g)=CH碗(g)(4.1)因此，隨著熱處理溫度的升高，碳纖維將會(huì)與氫氣發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)溫度超過100℃時(shí)，反應(yīng)加劇，碳纖維的性能將大幅度降低。從圖4一2可以看出，在氫氣氣氛下，熱處理溫度小于150℃時(shí)，碳纖維的表面以及斷口沒有出現(xiàn)明顯的裂紋、孔洞等缺陷，見圖(a)一(f)。從圖(b)中可以比較明顯地發(fā)現(xiàn)，在碳纖維的表面有非常淺的均勻的溝槽。這種表面溝槽是碳纖維在2500~270℃溫度下，進(jìn)行石墨化處理的過程中，由于碳纖維中所含的非碳元素的逸逃或揮發(fā)，形成纖維表面的裂紋或內(nèi)部孔洞，并且由于牽伸、氧化等因素的影響所形成的一種表面缺陷‘601。熱處理溫度為180℃時(shí)，碳纖維表面有呈細(xì)絨毛狀的附著物和小的凹坑，見圖(g)。一方面是碳纖維表面晶粒生長(zhǎng)、氣脹和表面蒸發(fā)導(dǎo)致纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)與形貌發(fā)生變化‘6”，另一方面可能由于氫氣的純度為9.9%，在氫氣中含有少量的氧氣，從而造成碳纖維表面的某些元素或者碳元素與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)所引起的表面形貌的改變。綜上所述，在熱處理溫度小于100℃時(shí)，氣氛的不同對(duì)碳纖維表面形貌以及斷口的影響并不明顯。當(dāng)溫度超過100℃時(shí)，氣氛的不同對(duì)碳纖維的影響比較突出。4.2.2燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維質(zhì)量的影響碳纖維經(jīng)過熱處理后，通過碳纖維的表面形貌可以從微觀角度反應(yīng)出，燒結(jié)氣氛與熱處理溫度對(duì)碳纖維的影響。為了更進(jìn)一步分析，燒結(jié)氣氛與熱處理溫度對(duì)纖維的影響程度，試驗(yàn)中利用JM一B型電子天平(精度為0.00019)，對(duì)熱處理后的碳纖維進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量。通過對(duì)碳纖維質(zhì)量燒蝕失重的研究，可以直觀地反應(yīng)出不同的熱處理工藝對(duì)碳纖維的影響。在不同的燒結(jié)氣氛和熱處理溫度下，經(jīng)過熱處理后的碳纖維質(zhì)量如表4一1所示。表4一1碳纖維在H:和Ar氣氛下，經(jīng)不同溫度熱處理后的質(zhì)量(單位:g)Tab.4一1ThemassofearbonfiberbyheatingtreatmeniatdiferenitemPeraturesinHZorAratmosPhere室溫1000℃1200℃1500℃1800℃氫氣氣氛0.20000.19250.18590.10230(消失)氫氣氣氛0.20000.19930.19750.19600.1933圖4一3為碳纖維在不同的燒結(jié)氣氛和熱處理溫度下，經(jīng)過熱處理后碳纖維質(zhì)量的變化曲線 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文一.一_l幾、如護(hù)叫叫a10餌…不02(X).4(.X)6漢…)劇X)1《XX)12…(X)1月加1以X)丫1以X)2(XX)溫變(℃)圖4一3碳纖維在HZ和Ar氣氛下，經(jīng)不同溫度熱處理后的質(zhì)量變化曲線l一Ar，2一HZFig.4一3ThemasseurveofearbonfiberbyheatingtreatmentatdiferenttemPeraturesinHZorAratmosPhere從圖4一3中可見，在氫氣氣氛下，熱處理溫度為100℃時(shí)，碳纖維的質(zhì)量損耗很小，碳纖維的燒蝕率不超過3.75%;當(dāng)熱處理溫度為巧0℃時(shí)，碳纖維的質(zhì)量燒蝕率為48.85%。在熱處理溫度為180℃時(shí)，碳纖維已經(jīng)完全分解。質(zhì)量的損耗是由于碳纖維與氫氣的反應(yīng)造成的。因此，為了使碳纖維保持完整的表面結(jié)構(gòu)，碳纖維在氫氣氣氛下的使用溫度不應(yīng)該超過100℃。在氫氣氣氛下，熱處理溫度為180℃時(shí)，碳纖維的質(zhì)量燒蝕率僅為3.35%。表明在氫氣氣氛下，在熱處理溫度不超過1800℃的情況下，碳纖維的質(zhì)量燒蝕率很低。4.2.3燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維抗拉強(qiáng)度的影響抗拉強(qiáng)度是碳纖維一項(xiàng)重要的力學(xué)性能。為了研究不同燒結(jié)氣氛，不同熱處理溫度下，碳纖維抗拉強(qiáng)度的變化情況，本試驗(yàn)采用電子單纖維強(qiáng)力機(jī)對(duì)熱處理后的碳纖維進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)量。在不同的燒結(jié)氣氛和熱處理溫度下，經(jīng)過熱處理后的碳纖維抗拉強(qiáng)度值見表4一2。表4一2碳纖維在H:和Ar氣氛下，經(jīng)不同溫度熱處理后的抗拉強(qiáng)度(單位:Mpa)Tab.4一2ThetensilestrengthofearbonfiberbyheatingtreatmentatdiferenttemPera1泊resinHZorAratmosPhere室溫1000，C1200oC1500oC1800oC氫氣氣氛2400210019005000氫氣氣氛24002390237823002200圖4一4為碳纖維在不同的燒結(jié)氣氛和熱處理溫度下，經(jīng)過熱處理后碳纖維抗拉強(qiáng)度的變化曲線。34 燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維和TzM合金的影響2500一毛、、~.—.一_1.一、、、、~一.勺電匆~‘.~電、，，~~，匆，，口.l~、~~~【.2000卜、︵︶薈巴側(cè)粼撼慧0口f.n”︸OL---J一-~‘‘---杏---司‘~--‘---刁‘~一~‘~~~~占-~~二‘~~-J0200400600800l000l200l400l600l8002000溫度(℃)圖4一4碳纖維熱處理后的抗拉強(qiáng)度l一Ar，2一HZFig.4一4Thetensilestrengthofearbonfiberbyheatingtreatment從圖4一中可見，碳纖維的抗拉強(qiáng)度隨著熱處理溫度的升高而降低。碳纖維為脆性材料，其抗拉強(qiáng)度降低的主要原因之一是裂紋。在氫氣氣氛下，熱處理溫度為100℃時(shí)，碳纖維的表面潔凈，除了固有的表面溝槽外，沒有明顯的大裂紋。因此，碳纖維的抗拉強(qiáng)度性能變化不大，抗拉強(qiáng)度的保持率為87.5%;熱處理溫度為150℃時(shí)，碳纖維由于與氫氣發(fā)生反應(yīng)造成碳纖維的表面出現(xiàn)大量的凹坑，纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞。因此，碳纖維的抗拉強(qiáng)度大大降低，抗拉強(qiáng)度的保持率僅為20.83%。在氫氣氣氛下，熱處理溫度為180℃時(shí)，碳纖維仍具有很高的抗拉性能，碳纖維抗拉強(qiáng)度的保持率為91.67%。碳纖維抗拉性能下降可能是由于氫氣中含有少量的氧氣，造成碳纖維與氧氣反應(yīng)，使碳纖維的抗拉性能下降。4.3燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金的組織及性能的影響4.3.1燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金密度的影響試驗(yàn)中，將壓坯密度約為7.巧沙耐的TzM合金坯料，在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下(燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間與燒結(jié)C/TZM復(fù)合材料的相同，具體燒結(jié)工藝見圖3一4)，不同的燒結(jié)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。其燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TZM合金最終燒結(jié)密度的影響見表4一3。表4一3燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金燒結(jié)密度的影響Tab.4一3TheefeetofsinteringatmosPhereonthedensityofTZMalloyHZ氣氛Ar氣氛燒結(jié)密度(沙m3)9.589.53從表4一3中可知，在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，燒結(jié)氣氛的不同，對(duì)TZM合金 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文燒結(jié)密度的影響不明顯。原因如下:粉末冶金材料的燒結(jié)密度主要取決于:孔隙度。在粉末壓制過程中，壓制成形時(shí)粉末顆粒之間存在間隙，燒結(jié)后留有孔隙，孔隙的數(shù)量直接影響材料的燒結(jié)密度。通過提高燒結(jié)溫度可以使壓坯材料的原子擴(kuò)散速度變大，使得燒結(jié)過程中燒結(jié)頸的長(zhǎng)大、燒結(jié)體的收縮、孔隙的球化越有利，燒結(jié)密度也會(huì)得到提高，燒結(jié)零件的性能也會(huì)越好。其次，燒結(jié)時(shí)間(粉末燒結(jié)過程中的高溫?zé)Y(jié)階段的保溫時(shí)間)對(duì)燒結(jié)密度也有影響，燒結(jié)時(shí)間愈長(zhǎng)，燒結(jié)愈充分，燒結(jié)坯料的孔隙越少，其燒結(jié)密度也越高。本試驗(yàn)由于燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間相同，因而燒結(jié)密度差異不大。雖然，在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，燒結(jié)氣氛的不同對(duì)燒結(jié)密度的影響不大。但是，從試驗(yàn)結(jié)果中得出:在氫氣氣氛下的燒結(jié)密度略大于氫氣氣氛下燒結(jié)密度。主要是由于晶界處的孔隙與預(yù)燒樣的氧含量呈正比‘“2’。氫氣為還原性氣體在燒結(jié)過程中可以降低預(yù)燒樣中的氧含量。然而，惰性氣體氫氣卻不能。因此，氧含量較高的預(yù)燒樣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，合金晶界處的孔隙較多，因而造成合金的密度降低。4.32燒結(jié)氣氛對(duì)咒M合金力學(xué)性能的影響a.硬度的影響硬度是彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的一個(gè)綜合指標(biāo)。對(duì)于粉末冶金材料而言，硬度屬于對(duì)孔隙形狀不敏感的性能，主要取決于粉末冶金材料的孔隙度，并隨著孔隙度的增大而降低。這是由于基體材料被孔隙所削弱，測(cè)量硬度時(shí)，壓頭同時(shí)壓在金屬基體和孔隙上，使抵抗壓頭的體積顯著減少，從而使材料表層抗塑性變形的能力降低，結(jié)果硬度值降低。表4一4為在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TZM合金硬度的影響。從表4一4中可以看出，燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TZM合金硬度的影響并不明顯。原因主要是硬度的大小取決于孔隙度，而燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TZM合金孔隙度的影響很小，因而不同燒結(jié)氣氛下，TZM合金的硬度變化不大。表4一燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金硬度的影響Tab.4一4TheefeetofsinteringatmosPhereontheh田吐nessofTZMalloyH:氣氛Ar氣氛布氏硬度(HB)b.抗拉強(qiáng)度的影響粉末冶金材料由于含有一定量的孔隙，這使金屬的有效承載斷面面積減小，從而使材料的抗拉強(qiáng)度降低。即使粉末冶金的孔隙度相同，其孔隙的形狀、大小及分布仍與抗拉強(qiáng)度有關(guān)，所以使試驗(yàn)數(shù)據(jù)很分散。但是，孔隙不會(huì)引起相當(dāng)大的應(yīng)力集中，主要是因?yàn)閼?yīng)力沿材料顯微體積的分布是不均勻的。在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TZM合金抗拉強(qiáng)度的影響見表4一5。 燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維和TzM合金的影響表4一5燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金抗拉強(qiáng)度的影響Tab.4一5TheefectofsinieringahnosPhereonthetensilestrengthofTZMalloyHZ氣氛Ar氣氛抗拉強(qiáng)度(MPa)從表4一5中可知，在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，在氫氣氣氛下燒結(jié)制備的TZM合金的抗拉強(qiáng)度大于在氫氣氣氛下燒結(jié)制備的TZM合金的抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度的高低與孔隙的數(shù)量、形狀、大小以及分布都有關(guān)系。然而，在相同的成分組成、混料工藝以及相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，燒結(jié)氣氛的不同對(duì)孔隙的數(shù)量、形狀、大小及分布影響并不十分明顯。在氫氣氣氛下燒結(jié)制備的TZM合金的抗拉強(qiáng)度大于在氫氣氣氛下燒結(jié)制備的TZM合金的抗拉強(qiáng)度。主要是由于在氫氣這種還原性氣氛下，降低了TZM合金粉料中氧含量。研究表明‘63’，較高的氧含量會(huì)對(duì)鋁及其鋁合金的力學(xué)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。一方面是由于鋁含有少量Fe、si和AI等雜質(zhì)元素，這些元素易與氧形成氧化物。由于氧化物會(huì)使晶界的強(qiáng)度降低，容易產(chǎn)生脆性沿晶斷裂‘641。另一方面由于高的含氧量會(huì)使Ti和Zr顆粒表面形成氧化膜，阻礙其向M。中擴(kuò)散，消弱了固溶強(qiáng)化的效果。在氫氣氣氛下，由于TZM合金中的含氧量相對(duì)較高，因而，造成TZM合金的抗拉強(qiáng)度降低。c.沖擊韌性的影響沖擊韌性強(qiáng)烈地依賴于材料的塑性，從而也像塑性一樣強(qiáng)烈地依賴于孔隙度。粉末冶金材料的沖擊韌性與密度的關(guān)系服從于指數(shù)函數(shù)規(guī)律，隨密度的增加而提高【“’。在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TZM合金沖擊韌性的影響見表4一6。表4一6燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金沖擊韌性的影響Tab.4一6TheefectofsinteringatmosPhereontheimPacttoughnessofTZMalloyHZ氣氛Ar氣氛沖擊韌性(J/cmZ)孔隙度的數(shù)量主要取決于燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間，在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TZM合金的孔隙度的影響不明顯，從而燒結(jié)密度變化不大。因此，密度不是造成沖擊韌性小的主要原因。從表4一6中可知，在氫氣氣氛下燒結(jié)制備的TZM合金的沖擊韌性大于在氫氣氣氛下燒結(jié)制備的TZM合金的沖擊韌性。主要是由于在氫氣這種還原性氣氛下，降低了TzM合金粉料中氧含量。研究表明‘6]，氧元素被認(rèn)為是對(duì)鋁基材料最為有害的元素，氧能強(qiáng)烈地破壞基體的塑一脆轉(zhuǎn)變溫度，使其加工性能變壞。氧以其化合物的形式分布于晶界，使晶界強(qiáng)度下降，沿晶斷裂機(jī)會(huì)增多，從而造成沖擊韌性的下降。4.3.3燒結(jié)氣氛對(duì)TzM合金組織形貌的影響圖4一5為在相同燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TzM合金組織形貌的影37 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文響。從圖4一5中可以看出，燒結(jié)氣氛為氫氣時(shí)，TZM合金的的組織結(jié)構(gòu)是在鑰的a固溶體的基體上分布?jí)K狀MoZC和少量彌散的TIC、Z匯顆粒(見圖4一5(a))。燒結(jié)氣氛為氫氣時(shí)，TZM合金的的組織結(jié)構(gòu)中，塊狀M小C和彌散的TIC、Z尤顆粒減少(見圖4一5(b))。這是由于氫氣氣氛下，TZM合金中的含氧量高，Ti、Zr易于氧化生成氧化物，難于形成TIC、ZrC顆粒，并且造成碳在鋁中的溶解度降低，造成塊狀MoZC減少。圖4一5燒結(jié)氣氛對(duì)TzM合金組織形貌的影響(a)HZ氣氛(b)Ar氣氛Fig.4一5TheefeetofsinteringahnosPhereonthemierostructureofTZMalloy圖4一6為燒結(jié)氣氛的不同對(duì)TzM合金的沖擊斷口的影響。由圖4一6可以看出，燒結(jié)氣氛為氫氣時(shí)，鑰晶粒間存在大量的第二相粒子。通過能譜分析表明，這些粒子的組成元素為Mo、Ti、Z:和O(圖4一7)。Ti在鋁中的固溶度較高，部分Mo一Ti固溶體吸收了合金中的微量氧，形成氧化物第二相粒子，對(duì)氧起到釘扎作用，減少造成鑰室溫脆性的間隙雜質(zhì)氧在晶界的富集。燒結(jié)氣氛為氫氣時(shí)，鑰晶粒之間第二相粒子明顯較少。主要由于氫氣氣氛下，TZM合金中的含氧量高，Ti、zr易于氧化生成氧化物，阻礙Ti、Zr向MO中的擴(kuò)散。因此，難于形成氧化物第二相粒子。圖4一6燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金斷口形貌的影響(a)HZ氣氛(b)Ar氣氛Fig.4一6TheefeetofsinteringatmosPhereonthefi妞etograPhofTZMailoy 燒結(jié)氣氛對(duì)破纖維和TZM合金的影響TZM合金晶界面處鑲嵌的小顆粒定點(diǎn)能譜分析見圖4一7。0ZrE/keV圖4一7TZM合金晶界面處鑲嵌的小顆粒定點(diǎn)能譜分析Fig.4一7EDSanalysisofPartielesingrainbounds叮ofTZMailoy 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文5碳纖維含量對(duì)C汀ZM復(fù)合材料的影響碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法、工藝過程以及工藝參數(shù)的控制對(duì)復(fù)合材料的性能有很大影響，是決定碳纖維復(fù)合材料迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題，因此制備工藝一直是碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的重要研究?jī)?nèi)容之一。本試驗(yàn)主要研究碳纖維的含量對(duì)C汀ZM復(fù)合材料的影響。在碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，碳纖維含量的不同會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的密度以及力學(xué)性能的變化。通過試驗(yàn)研究確定最佳的短碳纖維含量。5.1顯微組織形貌分析對(duì)于給定組成的碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其性能在很大程度上取決于顯微組織結(jié)構(gòu)。圖5一1為TZM合金以及C/TZM復(fù)合材料的顯微組織。圖5一1TzM合金和C八藝M復(fù)合材料的顯微組織(a)TZM:(b)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%;(c)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為5%:(d)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為8%Fig.5一1ThemierostrUetureoftheTZMalloyandC汀ZMeomPosites從圖5一1中可以看出，添加碳纖維的C/TZM復(fù)合材料的晶粒比TZM合金的晶粒小，說明添加的碳纖維有細(xì)化晶粒的作用。碳纖維的加入能起到細(xì)化晶粒的作用可能是由于碳纖維加入到基體中，碳纖維充當(dāng)了彌散強(qiáng)化相，起到了彌散強(qiáng)化的作用，故晶粒較小。圖 碳纖維含量對(duì)C汀ZM復(fù)合材料的影響5一1(。)中心部位處的小黑點(diǎn)為碳纖維的端部，其寬度在10娜左右大于碳纖維的平均直徑5娜，可能原因是:碳纖維在制備過程中，部分碳纖維沒有得到充分的分散，分散不均勻的兩根碳纖維團(tuán)聚在一起，造成碳纖維的端口直徑較大。對(duì)TZM合金進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖5一2，其TzM合金的組織主要由Mo組成。.Mb側(cè)每︵︶瞪車sdo203040506()70809()衍射角度/20(o)圖5一2TZM合金的x射線衍射圖Fig.5一2TheXRDsPeetrUmoftheTZMalloy對(duì)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為5%的C汀ZM復(fù)合材料進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖5一3，其復(fù)合材料的組織主要由Mo和MoZC組成。進(jìn)行XRD分析中，MoZC與Mo的(110)晶面衍射峰重迭。在碳纖維周圍白亮的部分(見圖5一1(b)(c)(d))，其組織應(yīng)為MoZC相，其產(chǎn)生原因是碳纖維與鋁之間發(fā)生了界面反應(yīng)。:▲MOZC!.M心側(cè)布車︶︵惠osd2030405060708090衍射角度/2e(o)圖5一3C汀ZM復(fù)合材料的X射線衍射圖Fig.5一3TheXRDsPectrumofC汀ZMeomPosites 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文5.2碳纖維含量對(duì)C理ZM復(fù)合材料密度的影響試驗(yàn)中，分別添加三種不同含量(體積分?jǐn)?shù)為2%、5%、8%)的短碳纖維，在燒結(jié)氣氛為氫氣，燒結(jié)溫度為180℃下，制備出短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料試樣。牌號(hào)分別為TZMCI、TZMCZ、TZMC3。表5一1是TZM和TZMC系列復(fù)合材料燒結(jié)所得試樣的密度。表5一1不同碳纖維含量的試樣密度Tab.5一1ThedensityofthediferentearbonfibereonientsamPleTZMTZMC1TZMCZTZMC3燒結(jié)密度(沙m，)9.539.499.389.22圖5一4是根據(jù)表5一1繪制的不同碳纖維含量的試樣的密度變化曲線。.9.3.29.49.5.eswes卜es.J.leseJ.es.‘.一.飛側(cè)卻之︶︵的\9.1Leses~山一---一~一‘-一-02468碳纖維含量(%)圖5一不同碳纖維含量的試樣的密度變化曲線Fig.5一4ThedensityeurveofthediferentearbonfibereontentsamPle從圖5一4可以看出，碳纖維加入量小于2%時(shí)，復(fù)合材料的密度變化不大，當(dāng)加入量大于2%時(shí)，隨著碳纖維加入量的增加，復(fù)合材料的密度下降明顯。隨著碳纖維含量的不斷增加，復(fù)合材料的密度不斷下降。一方面由于碳纖維加入量的增加，材料擠壓成形時(shí)很難壓實(shí)，或出現(xiàn)局部的偏聚，易出現(xiàn)空洞等缺陷;另一方面由于碳纖維體積分?jǐn)?shù)的不斷增加，碳纖維的分散變得較困難，極易形成三維剛性網(wǎng)絡(luò)骨架，使得碳纖維的團(tuán)聚增加，在材料內(nèi)部加長(zhǎng)了傳質(zhì)路徑，使燒結(jié)速率降低并使氣孔難以排除。材料致密化的阻力變大。因此導(dǎo)致復(fù)合材料密度下降。起初加入碳纖維的體積分?jǐn)?shù)小，復(fù)合材料的缺陷量也很少，纖維的團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，故復(fù)合材料密度下降不明顯。而當(dāng)體積分?jǐn)?shù)增大了的時(shí)候，復(fù)合材料的密度就下降得很明顯。 碳纖維含量對(duì)C汀ZM復(fù)合材料的影響5.3碳纖維含量對(duì)C理ZM復(fù)合材料力學(xué)性能的影響5.3.1硬度的影響表5一2為不同碳纖維含量的C/TZM復(fù)合材料的布氏硬度。表5一2不同碳纖維含量的試樣硬度Tab.5一2ThehardnessofthediferentearbonfibereontenisamPleTZMTZMC1TZMCZTZMC布氏硬度(HB)154圖5一5是根據(jù)表5一2繪制的不同碳纖維含量的試樣的布氏硬度變化曲線。姆側(cè)︵圈也︶困山甲4060/·.120‘we--上~~~~~~~~‘‘~~~~~--~J02468碳纖維含量(%)圖5一5不同碳纖維含量的試樣的布氏硬度變化曲線Fig.5一5ThehardnesseurveofthediferentcarbonfibereontentsamPle從圖5一5中可以看出，隨著碳纖維含量的增加，材料的硬度值出現(xiàn)區(qū)間性。復(fù)合材料的硬度值隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加先升高后降低，當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，復(fù)合材料的硬度最大，硬度提高了20.13%。然后隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，復(fù)合材料的硬度開始降低，當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)硬度最小。這主要是由于當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)小時(shí)，纖維很容易被基體包埋，纖維和基體之間結(jié)合良好，纖維起到了很好的增強(qiáng)效果。但是當(dāng)纖維體積過多時(shí)，材料擠壓成形時(shí)很難壓實(shí)，或出現(xiàn)局部的纖維團(tuán)聚，從而使材料的內(nèi)部缺陷(主要是孔洞)增多，材料的硬度自然下降。圖5一6是碳纖維體積分?jǐn)?shù)分別為2%、5%和8%的復(fù)合材料的斷口形貌。從圖5一6中可以得出，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%的TZM基復(fù)合材料內(nèi)部沒有較大的孔洞存在，并且孔洞少，材料內(nèi)部的組織相對(duì)比較致密;而體積分?jǐn)?shù)為8%的復(fù)合材料的內(nèi)部組織相對(duì)比較疏松，可以看到相對(duì)比較大的孔洞存在，這些孔洞的存在嚴(yán)重影響了材料的硬度和其它的力學(xué)性能。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖5一6C汀zM復(fù)合材料的斷口形貌(a)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%;(b)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為5%;(。)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為8%Fig.5一6ThefraetograPhoftheC汀ZMeomPosites5.3.2抗拉強(qiáng)度的影響表5一3為不同碳纖維含量的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。表5一3不同碳纖維含量的試樣的抗拉強(qiáng)度Tab.5一3ThetensilestrengthofthediferentearbonfibereontenisamPleTZMTZMCITZMCZTZMC3抗拉強(qiáng)度(MPa)269圖5一7是根據(jù)表5一3繪制的不同碳纖維含量的試樣的抗拉強(qiáng)度的變化曲線。從圖5一7中可以看出，隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高了57.9%。但是當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度卻急劇下降。這是因?yàn)槔w維增強(qiáng)體有較大的長(zhǎng)徑比，可以更好地承擔(dān)載荷和阻止裂紋擴(kuò)展【671。很明顯，如果纖維被基體完全包裹住，在斷裂過程中應(yīng)力只能從基體傳遞給碳纖維導(dǎo)致碳纖維的斷裂、脫粘。如果纖維和基體結(jié)合緊密，基體中的任何位移都將傳遞到碳纖維上，而碳纖維的強(qiáng)度較基體大得多，則碳纖維將對(duì)位移起到一定約束作用，因此導(dǎo)致復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度上升。短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的破壞機(jī)制主要包括:纖維拔出、纖維斷裂、基體變形和斷裂和纖維/基體脫粘等【““’。44 碳纖維含量對(duì)C廳ZM復(fù)合材料的影響因?yàn)楫?dāng)外力作用于短碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)，纖維端頭與基體的界面處存在最大的剪切應(yīng)力，在實(shí)際的材料中由于纖維和基體的結(jié)合不是理想的，因此碳纖維的約束作用取決于界面的性質(zhì)。短碳纖維端頭與基體間形成弱界面結(jié)合，所以此時(shí)纖維拔出是短碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要破壞機(jī)制。當(dāng)碳纖維含量較少時(shí)，纖維和基體結(jié)合緊密，碳纖維脫粘困難，從而使材料的拉伸強(qiáng)度增加。但是，并不是碳纖維體積分?jǐn)?shù)越多增強(qiáng)效果越好，而恰恰相反，如果碳纖維體積分?jǐn)?shù)很高(大于2%)時(shí)，當(dāng)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸時(shí)，首先發(fā)生碳纖維端頭處與基體脫粘，復(fù)合材料中短碳纖維體積分?jǐn)?shù)越多這種弱界面結(jié)合就越多，脫粘現(xiàn)象就越嚴(yán)重。于是，隨碳纖維含量增加，復(fù)合材料的拉伸性能反而會(huì)降低。4J尸050︵︶側(cè)惠粼撼國。dj，J0502，‘勺八U.on︸02468碳纖維含量(%)圖5一7不同碳纖維含量的試樣的抗拉強(qiáng)度變化曲線Fig.5·7ThetensilestrengthcurveofthediferentearbonfibereontentsamPle圖5一8是室溫下TzM合金和碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合材料的拉伸斷口形貌。圖5一8TzM合金和C廳ZM復(fù)合材料的斷口形貌(a)TZM合金(b)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%Fig.5一8Thefi.aetograPhofTheTZMalloyandC廠1，ZMeomPositesTZM合金的斷口形貌及斷裂特征見圖5·8(a)。從圖中可以看出，TZM合金的斷口晶粒粗大，晶界清晰，斷口形貌呈粒狀，晶粒表面形貌為冰糖狀花樣。通過斷口形貌可見， 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文TZM合金的室溫?cái)嗔褜儆谘鼐嗔鸦蚍Q晶間顆粒斷裂，是典型的脆性斷裂。碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合材料的斷口形貌及斷裂特征見圖5一8(b)。從圖中可以看出，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合材料的斷口晶粒細(xì)小，晶界不明顯，斷口形貌仍呈粒狀，其斷裂形式屬于沿晶斷裂。從圖5一8(b)中可以看出，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合材料的斷口，有部分纖維拔出現(xiàn)象，拔出的碳纖維表面光滑，沒有出現(xiàn)鋁在碳纖維表面球化現(xiàn)象，復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的塑性。這主要是由于含有碳纖維的復(fù)合材料在拉伸過程中，主要存在纖維的橋連、纖維的拔出和裂紋的偏轉(zhuǎn)三種現(xiàn)象。而按照Bengisu等‘69]人的疊加方法所估算出的纖維增韌效果，纖維橋連和纖維拔出是最重要的兩種增韌機(jī)理。復(fù)合材料的斷口有部分纖維拔出現(xiàn)象，基體發(fā)生了一定量的塑性變形，說明斷裂過程不是由裂紋快速徑向擴(kuò)展引起的完全脆性斷裂。一般情況下，高強(qiáng)度的復(fù)合材料都具有適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度，如果界面結(jié)合不良，載荷無法有效傳遞，導(dǎo)致纖維拔出較長(zhǎng);結(jié)合過強(qiáng)時(shí)，裂紋容易沿著纖維徑向迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致低應(yīng)力下提前脆斷，斷口平齊;界面適中時(shí)，斷口參差不齊。這說明具有少量反應(yīng)物的碳纖維與基體界面結(jié)合相對(duì)適中，從而獲得較高的力學(xué)性能。但同時(shí)說明，如果優(yōu)化制備工藝，減少界面反應(yīng)物數(shù)量，使得碳纖維與基體的界面減弱，將會(huì)獲得更高性能的復(fù)合材料。5.3.3沖擊韌性的影響表5一4為不同碳纖維含量的C/TZM復(fù)合材料的沖擊韌性。表5一4不同碳纖維含量的試樣的沖擊韌性Tab.5一TheimPacttoughnessofthedifereniearbonfibereontentsamPleTZMTZMC1TZMCZTZMC3沖擊韌性(J/cmZ)1.473.692.452.12圖5一9是根據(jù)表5一4繪制的不同碳纖維含量的試樣的沖擊韌性的變化曲線。、主3{}/廣\、_劃:}/一~~~~~~。異l/拍.憑IL0‘esesje.es人-----es-一.山一-------J----一J~-.一」02468碳纖維含量(%)圖5一9不同碳纖維含量的試樣的抗拉強(qiáng)度變化曲線Fig.5一9TheimPacttoughnesseurveofthediferentearbonfibereontentsamPle 碳纖維含量對(duì)C汀ZM復(fù)合材料的影響從圖5一9中可以看出，不同碳纖維含量試樣的沖擊韌性的增加具有一定的區(qū)間性，其變化規(guī)律為:復(fù)合材料的沖擊韌性比無纖維的TZM合金高，并且隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的沖擊韌性先提高后降低，當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊韌性最大為3.69J/c擴(kuò)，比TzM合金高出2.5倍。但是，當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，隨著碳纖維的體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的沖擊韌性降低。在碳纖維體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊韌性最小為2.12J/c擴(kuò)。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的可能原因是:(l)在復(fù)合材料的制造過程中，碳纖維和基體金屬的界面之間形成一種很強(qiáng)的結(jié)合，復(fù)合材料斷裂時(shí)，裂紋要在纖維/基體界面起裂‘701，也就是要首先發(fā)生基體和碳纖維界面之間的脫粘，造成碳纖維從基體金屬中拔出，由于碳纖維的強(qiáng)度較高，纖維拔出效應(yīng)是碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的一種主要的破壞形式，碳纖維是復(fù)合材料的主要承載體‘川。所以，如果碳纖維和基體之間的結(jié)合很好，也就是說碳纖維完全被基體金屬所包裹，碳纖維的性能發(fā)揮的就會(huì)更好，材料的性能就會(huì)提高，隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，這種強(qiáng)的界面結(jié)合就會(huì)越多，材料的強(qiáng)度和塑性都會(huì)增加。同時(shí)，當(dāng)碳纖維的體積分?jǐn)?shù)很多時(shí)，難免會(huì)產(chǎn)生局部的碳纖維團(tuán)聚，該處碳纖維無法完全被基體金屬包裹，也就成了材料斷裂的裂紋源，碳纖維含量越高這種裂紋源就會(huì)越多，這是造成復(fù)合材料的性能的下降。(2)另外，當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)較多時(shí)，通過粉末冶金法很難加工成型，碳纖維/基體金屬界面處的結(jié)合會(huì)變?nèi)?，擠壓成型時(shí)會(huì)造成一些宏觀裂紋，也會(huì)降低材料的機(jī)械性能，當(dāng)碳纖維含量很高時(shí)碳纖維已經(jīng)無法起到增強(qiáng)效果，材料的性能只能依賴于基體金屬本身的性能，這是造成復(fù)合材料力學(xué)性能下降的又一個(gè)原因。綜上所述:通過試驗(yàn)研究表明，當(dāng)短碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，利用粉末冶金方法制備的C汀ZM復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文6結(jié)論本試驗(yàn)利用粉末冶金的方法制備短碳纖維增強(qiáng)TZM合金基復(fù)合材料。在試驗(yàn)過程中自制了用于混料所用的球磨機(jī);分析了在不同的熱處理溫度下，氫氣和氫氣兩種不同的燒結(jié)氣氛對(duì)碳纖維表面形貌、斷口和抗拉性能的影響;分析了在相同的燒結(jié)溫度以及燒結(jié)時(shí)間下，氫氣和氫氣兩種不同的燒結(jié)氣氛對(duì)TZM合金組織和性能的影響;對(duì)不同碳纖維含量的C汀ZM復(fù)合材料組織形貌和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和歸納，得出以下結(jié)論:(l)碳纖維在氫氣氣氛下，熱處理溫度為100℃時(shí)，纖維的表面比較潔凈，斷口處沒有出現(xiàn)大的裂紋及孔洞，碳纖維的質(zhì)量燒蝕率不超過3.75%，碳纖維的抗拉強(qiáng)度的保持率為87.5%;熱處理溫度為150℃時(shí)，碳纖維表面出現(xiàn)了大量的孔洞和凹坑，碳纖維的質(zhì)量燒蝕率為48.85%，抗拉強(qiáng)度的保持率僅為20.83%。熱處理溫度為180℃時(shí)，碳纖維完全與氫氣反應(yīng)生成C城氣體揮發(fā)消失。(2)碳纖維在氫氣氣氛下，熱處理溫度為150℃時(shí)，碳纖維的表面以及斷口沒有出現(xiàn)明顯的裂紋。熱處理溫度為180℃時(shí)，碳纖維表面有呈細(xì)絨毛狀的附著物和小的凹坑，碳纖維的質(zhì)量燒蝕率僅為3.35%，抗拉強(qiáng)度的保持率仍為91.67%。(3)在相同的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，在氫氣氣氛中燒結(jié)的TZM合金的晶粒細(xì)小，燒結(jié)密度大，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性比氫氣氣氛中燒結(jié)的TZM合金的性能好。(4)添加碳纖維的C/TZM復(fù)合材料晶粒細(xì)小，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的密度降低，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，復(fù)合材料布氏硬度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性的力學(xué)性能最優(yōu)。布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的性能分別提高了20.13%和57.9%，沖擊韌性比TZM合金高出2.5倍。 致謝致謝本文是在導(dǎo)師張?jiān)迄i教授的精心指導(dǎo)下完成的。在攻讀碩士學(xué)位期間導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、崇高的敬業(yè)精神、誨人不倦的高尚師德都令我敬佩和受益匪淺。在整個(gè)論文工作中，對(duì)于研究課題過程中遇到的各種問題導(dǎo)師給予了悉心的指導(dǎo)，使我在知識(shí)的掌握、分析問題、解決問題的能力上都有了極大的提高。值此論文完成之際，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x。在本次試驗(yàn)過程中，感謝呂振林老師、周永欣老師、羅啟文老師、葛利玲老師、王武孝老師、劉守智老師、王華老師等給予的傾力幫助。在此，向以上諸位老師表示我最誠摯的謝意。陜西省金堆城鋁業(yè)股份有限公司的楊紅忠、韓強(qiáng)等工程師對(duì)本課題的調(diào)研、試樣燒結(jié)給予了大力支持和幫助，在此深表謝意。試驗(yàn)過程中得到了陳剛、譚靈芝、張曉宇等研究生的支持與幫助。同時(shí)2008年畢業(yè)的本科生張?chǎng)?、王潔、韓晶磊和施瑞平等對(duì)我的試驗(yàn)也做了不少有意義的貢獻(xiàn)。在此，表示感謝，也祝他們能在今后的學(xué)習(xí)和工作中取得好成績(jī)。最后，謹(jǐn)以此文表達(dá)對(duì)所有關(guān)心、幫助和支持我的老師、同學(xué)及親人的感謝! 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