宋美慧，武高輝

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，哈爾濱 150001)

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料(Cf/Mg)以其比強(qiáng)度和比剛度居于可用結(jié)構(gòu)材料之首，而成為航空航天領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)材料之一［1］。它具有密度低(小于2.0g/cm3)、比強(qiáng)度比剛度高、熱變形抗力好、阻尼性能高、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好及導(dǎo)熱性良好等優(yōu)點(diǎn)［2－4］。在高精度光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的鈹合金相比，具有低成本、無(wú)毒的優(yōu)點(diǎn)［5，6］;在空間飛行器結(jié)構(gòu)件應(yīng)用領(lǐng)域，與碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，具有耐潮濕、抗原子氧輻照及防燃、抗氧化、高溫力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)［7］。在空間競(jìng)賽的背景下世界各國(guó)都開(kāi)始了對(duì)Cf/Mg復(fù)合材料的研究工作，其中以美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)以及日本等國(guó)為主。中國(guó)在上世紀(jì)80年代也開(kāi)始了對(duì)Cf/Mg復(fù)合材料的相關(guān)研究并取得了一定的成果，但是相比其他國(guó)家還存在著一定的差距。

另一方面，由于碳纖維與金屬鎂的潤(rùn)濕角大于90°，因此在制備復(fù)合材料時(shí)，鎂合金的充分浸滲是急需解決的問(wèn)題，以往的研究表明SiC顆粒與Mg具有良好的界面潤(rùn)濕性［8，9］。研究在Cf/Mg復(fù)合材料制備過(guò)程引入SiC顆粒進(jìn)行混雜增強(qiáng)，目的是通過(guò)提高鎂合金液體在預(yù)制件中的浸滲能力，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，并為金屬基復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

采用壓力浸滲法制備單向M40/AZ91D及M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料，其中M40纖維體積分?jǐn)?shù)分別為60%和55%;SiC顆粒粒徑5μm，體積分?jǐn)?shù)5%，基體合金成分9wt.%Al，1wt.%Zn，0.2wt.%Mn。

利用Philips CM－12透射電子顯微鏡觀察與分析復(fù)合材料的微觀組織，透射電鏡加速電壓為100～120kV。在S－570型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行組織觀察和斷口分析。復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試在INSTRON－5569萬(wàn)能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣尺寸2mm×10mm×60mm，在受拉面正中間粘貼BE120－3AA型應(yīng)變片，應(yīng)變片有效面積為2mm×3mm。測(cè)試時(shí)，上壓頭直徑 10mm，下壓頭直徑4mm，跨距為40mm，橫梁移動(dòng)速度為2mm/min，數(shù)據(jù)采集10點(diǎn)/min。彎曲試驗(yàn)中材料的抗彎強(qiáng)度(σf)的計(jì)算公式為:

式中:P——試樣斷裂時(shí)最大載荷，N;

L——跨距，mm;

B——試樣中部寬度，mm;

h——試樣中部高度，mm。

彈性模量(E)的計(jì)算公式為:

式中:Pi——載荷－應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)的載荷，N;

εi——載荷 － 應(yīng)變曲線上Pi點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，×10－6。

2 結(jié)果及討論

2.1 微觀組織

圖1是采用壓力浸滲法制備的Cf/Mg復(fù)合材料的形貌。由圖可見(jiàn)，復(fù)合材料組織致密，金屬液體浸滲充分，與纖維和SiC顆粒復(fù)合良好，纖維分布均勻。進(jìn)行SiC顆?；祀s后碳纖維束得到有效分散。

圖1 Cf/Mg復(fù)合材料金相照片F(xiàn)ig.1 Microstructure of Cf/Mg composites

圖2為M40/AZ91D復(fù)合材料的微觀組織情況，由圖可見(jiàn)，界面處存在針狀及塊狀的物質(zhì)。對(duì)其進(jìn)行電子衍射斑點(diǎn)標(biāo)定表明為Al4C3針狀界面反應(yīng)物和塊狀Mg17Al12析出相。

圖3是M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料的微觀組織形貌。由圖可見(jiàn)，SiC－AZ91D界面平直光滑，沒(méi)有明顯的界面反應(yīng)發(fā)生，但是在界面處存在大量塊狀的析出物，對(duì)其進(jìn)行電子衍射斑點(diǎn)標(biāo)定表明為Mg17Al12相。

圖2 鑄態(tài)M40/AZ91D界面形貌Fig.2 Interface of M40/AZ91D composites

圖3 M40+SiC/AZ91D復(fù)合材料界面Fig.3 Interface of M40+SiC/AZ91D composites

復(fù)合材料在制備過(guò)程中，由于碳纖維和SiC顆粒表面溫度低于液態(tài)鎂合金，因此界面處成為基體合金凝固的前沿，導(dǎo)致鎂合金中的Al元素在界面處堆積、造成偏聚。同時(shí)由于碳纖維和SiC顆粒表面相對(duì)鎂合金具有高的表面能，從而為合金中的沉淀相非均質(zhì)形核提供了能量，使得Mg17Al12優(yōu)先在界面處形核。隨著復(fù)合材料在制備過(guò)程中液態(tài)鎂合金逐漸冷卻，界面處形成的細(xì)小Mg17Al12逐漸長(zhǎng)大，形成塊狀的析出相。

2.2 力學(xué)性能

圖4是研究制備的兩種Cf/Mg復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量。由圖可見(jiàn)，當(dāng)在復(fù)合材料中加入SiC顆粒進(jìn)行混雜增強(qiáng)后，復(fù)合材料的力學(xué)性能被提高，其中M40+SiCp/AZ91D彎曲強(qiáng)度達(dá)到1 629MPa，彎曲模量達(dá)到216GPa，較 M40/AZ91D復(fù)合材料分別提高了24.7%和6.4%。

壓力浸滲法制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的過(guò)程中，進(jìn)行SiC顆?；祀s后在SiC－AZ91D界面處形成大量Mg17Al12，可以改善增強(qiáng)體與液體鎂合金的潤(rùn)濕性，而顆粒間的空隙能夠增加鎂合金浸滲的通道，從而提高復(fù)合材料的制備品質(zhì)，使材料的力學(xué)性能得到提高。

圖4 Cf/Mg復(fù)合材料彎曲性能Fig.4 Bending strength and modulus of Cf/Mg composites

圖5為對(duì)應(yīng)幾種Cf/Mg復(fù)合材料彎曲斷口形貌。由于界面反應(yīng)適中，材料在承受載荷時(shí)，應(yīng)力能夠從先斷裂的纖維處通過(guò)界面裂紋增值和擴(kuò)展傳遞到其他未斷裂的纖維，而使復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度，此時(shí)的復(fù)合材料斷口呈現(xiàn)大量纖維拔出的特征。

圖5 復(fù)合材料彎曲斷口觀察Fig.5 Bending fractographs of Cf/Mg composites

3 結(jié)論

(1)采用壓力浸滲法制備的M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料組織致密，金屬液體與纖維及SiC顆粒復(fù)合良好，碳纖維被SiC顆粒有效分散。

(2)M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料界面結(jié)合良好，M40－AZ91D界面處存在針狀A(yù)l4C3反應(yīng)物及塊狀Mg17Al12析出相;SiCp－AZ91D界面處存在塊狀Mg17Al12析出相。

(3)壓力浸滲法制備的M40+SiCp/AZ91D彎曲強(qiáng)度達(dá)到1 629MPa，彎曲模量達(dá)到216GPa，較 M40/AZ91D復(fù)合材料分別提高了24.7%和6.4%。

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