沈立娜，阮海龍，歐陽志勇，吳海霞，李 春

(北京探礦工程研究所，北京100083)

0 引言

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。碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料以其優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、減摩擦、抗磨損性能而受到重視。碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、比剛度、軸向拉伸強(qiáng)度和耐磨性，優(yōu)異的耐高溫性能和低的熱膨脹系數(shù)，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗疲勞性等優(yōu)點在汽車、航空領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1～4］。然而如何將碳纖維的這一優(yōu)異增強(qiáng)性能應(yīng)用于金剛石鉆頭制造領(lǐng)域還鮮有報道。

本文采用粉末冶金方法制備了致密度較好的短碳纖維增強(qiáng)鐵基胎體材料，并對短碳纖維增強(qiáng)鐵基胎體的性能進(jìn)行了研究。粉末冶金法是將金屬粉末充滿在排列規(guī)整或者無規(guī)則取向的碳纖維或晶須中，然后進(jìn)行燒結(jié)或者擠壓成型，是一種比較成熟的工藝方法，合金粉末和增強(qiáng)物可以按所需要的任何比例混合，且由于燒結(jié)溫度較低可減少因高溫引起的界面反應(yīng)，同時，可以降低增強(qiáng)物與基體相互潤濕的要求，用其制備的鐵基胎體材料可以通過傳統(tǒng)的金屬加工方法進(jìn)行二次加工，進(jìn)一步提高性能和尺寸精度。

1 試驗方法

1．1 原料

Fe基預(yù)合金粉末粒度為1～2 μm;碳纖維粉末為200目鹽城翔力碳纖維，加入量為5% ～20%，試樣標(biāo)記為CF+碳纖維的質(zhì)量百分含量，如CF5代表碳纖維添加量為5%。

1．2 燒結(jié)

將各種原料粉末按配方比例配制，經(jīng)小型滾筒式球磨混料機(jī)充分混合3 h后，使用RYJ－2000型熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900℃，保溫時間為4 min，自然冷卻。采用高強(qiáng)度、高純度和高致密化的石墨模具，燒制抗彎強(qiáng)度試樣尺寸為5 mm×5 mm×30 mm，抗沖擊韌性試樣尺寸為10 mm×10 mm×50 mm。

1．3 試驗內(nèi)容

對所燒結(jié)的試樣分別測定胎體材料的硬度(HR－150A型洛氏硬度機(jī))、抗沖擊韌性(JB6型抗沖擊韌性測定儀)和抗彎強(qiáng)度(WDW－100型微機(jī)萬能試驗機(jī))，分析不同碳纖維添加量對鐵基胎體性能的影響。通過觀察不同碳纖維量增強(qiáng)鐵基胎體材料的燒結(jié)后及斷口掃描電鏡照片，分析碳纖維對鐵基胎體的作用效果，采用EDS即X射線能譜儀定性分析材料物相組成。

2 試驗結(jié)果與討論

圖1是不同短碳纖維添加量與鐵基胎體粉末球磨混料后的SEM圖片。由圖中可以清楚的看出碳纖維成無規(guī)則取向分布于鐵基胎體粉末中，200目碳纖維粉末約74 μm，與鐵基胎體粉末顆粒存在較大尺寸差異。由圖2中對纖維束的EDS分析結(jié)果可知，該纖維束即為碳纖維。由圖1(a)、(b)可以看出碳纖維粉末表面已經(jīng)包覆有部分胎體合金粉末，這是鐵基胎體中某些合金元素作用的結(jié)果，該現(xiàn)象表明經(jīng)過適當(dāng)時間的球磨預(yù)處理后鐵基胎體粉末和碳纖維具有一定的相容性。但是當(dāng)添加量＞10%以后(圖1c、d)，碳纖維表面包覆的胎體粉末比例明顯降低，且碳纖維顆粒束占據(jù)了掃描電鏡照片視野的大部分區(qū)域，這將對整體胎體復(fù)合材料的性能產(chǎn)生不利影響。

圖1 不同碳纖維添加量混料后的SEM照片

圖2 碳纖維增強(qiáng)鐵基胎體粉末的EDS分析

表1為不同短碳纖維添加量鐵基胎體材料燒結(jié)后的胎體硬度測試結(jié)果。

由表中數(shù)據(jù)可知，添加5%(質(zhì)量比)碳纖維的鐵基胎體硬度略有提升，但之后隨著碳纖維含量的增加，鐵基胎體硬度逐漸降低，當(dāng)添加量為20%時，硬度已經(jīng)低至70HRB。由于碳纖維加入后導(dǎo)致纖維體和基體之間形成了許多界面，加之纖維體與基體大多不潤濕使得這些界面成為阻礙位錯運動的“墻體”;另一方面，由于纖維體與基體物理性能的不同造成了二者熱膨脹系數(shù)的差異，使得燒結(jié)過程中近界面處產(chǎn)生了大量的位錯［5］，以上機(jī)制均會導(dǎo)致復(fù)合材料硬度的強(qiáng)化。然而當(dāng)過多的碳纖維加入到基體當(dāng)中后，由于燒結(jié)制備過程中攜帶大量的氣孔，碳纖維含量越高，氣孔率越高，大大降低了復(fù)合材料的硬度。

表1 不同碳纖維添加量鐵基胎體材料的硬度測試結(jié)果

利用WDW－100型微機(jī)萬能試驗機(jī)測量其抗彎強(qiáng)度，測試方法為三點彎曲法，測試結(jié)果如圖3所示。JB6型抗沖擊韌性測定儀測定其抗沖擊韌性，如圖4所示。

圖3 碳纖維對鐵基胎體抗彎強(qiáng)度的影響

圖4 碳纖維對鐵基胎體抗沖擊韌性的影響

由圖3、圖4可以看出，隨著短碳纖維含量的增加，鐵基胎體材料的抗彎強(qiáng)度、抗沖擊韌性均呈下降趨勢。當(dāng)添加量為20%時，抗彎強(qiáng)度降低至100 MPa，抗沖擊韌性也已經(jīng)下降至不到1 J/cm2，很難滿足實際鉆進(jìn)需求。

為了進(jìn)一步獲取短碳纖維對鐵基胎體材料性能的影響因素，利用掃描電鏡獲取了5%碳纖維添加量的復(fù)合材料沖擊斷口SEM照片，如圖5所示。由圖5(a)中1000倍斷口照片可以看出，碳纖維呈現(xiàn)分布不均，且取向無規(guī)則性，既存在垂直于斷口的纖維束也存在平行于斷口的顯微束，這種碳纖維的局部偏距以及平行于斷口方向的纖維分布形成了材料強(qiáng)度的“弱點”，極易成為裂紋源，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度和沖擊韌性的降低;另一方面，觀察3000倍掃描電鏡斷口照片(圖5b)可以清楚的看到碳纖維和鐵基胎體界面存在孔洞，說明兩者的界面結(jié)合狀態(tài)不好，在燒結(jié)過程中界面的化學(xué)反應(yīng)等導(dǎo)致燒結(jié)試樣內(nèi)氣孔的存在，減少了復(fù)合材料的承載面積，同樣也降低材料的強(qiáng)度。

圖5 短碳纖維5%增強(qiáng)鐵基胎體材料的沖擊斷口SEM照片

由以上分析可知，5%的碳纖維添加量在硬度增強(qiáng)上雖然具有一定效果，但強(qiáng)度和沖擊韌性仍然損失很多，通過改善碳纖維和基體的界面結(jié)合狀態(tài)將會大大提高短碳纖維增強(qiáng)鐵基胎體復(fù)合材料的綜合性能。

4 結(jié)論

(1)通過粉末冶金法制備的短碳纖維增強(qiáng)鐵基胎體材料具有一定的效果，當(dāng)添加量為5%時，胎體硬度有所提高。

(2)隨著碳纖維含量的增加，鐵基胎體復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性均呈下降趨勢。

(3)粉末冶金法制備的短碳纖維增強(qiáng)鐵基胎體復(fù)合材料，纖維體和基體的界面需進(jìn)行表面處理，改善界面結(jié)合狀態(tài)，以提高復(fù)合材料的綜合性能。

［1］ 徐金城，李曉龍，等．碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備及其性能的研究［J］．蘭州大學(xué)學(xué)報，2004，40(4):28－32．

［2］ 趙忠華．淺析博采眾長的復(fù)合材料［J］．硅谷，2010，(3):146－147．

［3］ 呂一中，崔巖，等．金屬基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用［J］．北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，6(3):1 －4．

［4］ 羅天驕，姚廣春．短碳纖維增強(qiáng)2024合金復(fù)合材料的研究［D］．遼寧沈陽:東北大學(xué)，2006．

［5］ 高俊江，等．?dāng)嚢梃T造法制備短碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料［D］．河南鄭州:鄭州大學(xué)，2011．