柯 鋒,王朝恩

(1.湖北省陽(yáng)新縣中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,湖北 陽(yáng)新 435200;2.湖北大學(xué) 湖北 武漢 430062)

隨著近年來(lái)航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展和對(duì)復(fù)合材料要求的提高,碳纖維復(fù)合材料以其密度低、強(qiáng)度高、抗沖擊性能好等特點(diǎn)[1],在飛行器、火箭外殼等方面都有著廣泛應(yīng)用,碳纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為大家爭(zhēng)相研究的特點(diǎn)。在減重的同時(shí)提高復(fù)合材料的強(qiáng)度,是目前碳纖維復(fù)合材料的主要發(fā)展方向[2],真空熱壓法是一種利用熱能與機(jī)械能將復(fù)合材料致密化的方法[3],在制備過(guò)程中通過(guò)模具將壓力傳導(dǎo)至復(fù)合材料,控制加熱等工藝參數(shù),有望制備出致密度高、機(jī)械性能好的復(fù)合材料,目前熱壓在碳纖維復(fù)合材料上的應(yīng)用研究相對(duì)較少[4-6]。研究熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力對(duì)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料顯微組織、致密度和拉伸性能的影響,結(jié)果將有助于高性能碳纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料的制備,并推動(dòng)熱壓法在碳纖維復(fù)合材料制備中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料包括增強(qiáng)體M40型碳纖維(抗拉強(qiáng)度2 750 MPa、單絲直徑6.6μm、經(jīng)密度6束/cm、面密度126 g/m2),基體為1 060純鋁箔(密度2.69 g/cm3、抗拉強(qiáng)度110 MPa、彈性模量69 680 MPa,厚度為0.2 mm),改性劑HL403鋁合金粉(密度2.68 g/cm3、粒度為18 μm),50 g/L 氫氧化鈉,分析純無(wú)水乙醇。

1.2 試樣制備

預(yù)先將碳纖維在氫氧化鈉溶液中浸泡28 min,然后在無(wú)水乙醇溶液中浸泡36 min,吹干后備用;將鋁箔剪裁成Φ100 mm形狀,砂紙打磨表面后浸泡在氫氧化鈉溶液中除油,然后用清水和無(wú)水乙醇清洗吹干備用。以圖1所示的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行層疊設(shè)計(jì)[7],在ZM-56-23Y型真空熱壓爐中對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行熱壓燒結(jié)處理,熱壓過(guò)程中控制熱壓溫度介于520～560 ℃、熱壓時(shí)間80～240 min、熱壓壓力4～12 MPa,熱壓成型碳纖維復(fù)合材料。

圖1 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 測(cè)試方法

采用FEI QUANTA 200型鎢燈絲掃描電子顯微鏡對(duì)顯微形貌和斷口形貌進(jìn)行觀察;采用INSTRON 5500型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試,拉伸速率為0.4 mm/min,結(jié)果為5組試樣平均值;根據(jù)阿基米德法測(cè)試碳纖維復(fù)合材料的致密度[8],以3個(gè)試樣平均值作為結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1為不同熱壓工藝下碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的機(jī)械性能。9組試樣的致密度介于94.4%～98.7%,抗拉強(qiáng)度介于160～265 MPa。對(duì)比不同熱壓工藝下碳纖維復(fù)合材料的致密度可知,9#試樣的致密度最低、3#試樣的致密度最高;對(duì)比不同熱壓工藝下碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度可知,3#試樣的抗拉強(qiáng)度最高、8#試樣的抗拉強(qiáng)度最低,即熱壓溫度520 ℃、熱壓時(shí)間240 min、熱壓壓力為12 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料具有最大的致密度和抗拉強(qiáng)度。

表1 不同熱壓工藝下碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的機(jī)械性能

圖2為不同熱壓工藝下碳纖維復(fù)合材料的顯微形貌。對(duì)比分析可知,不同熱壓工藝下碳纖維復(fù)合材料的截面形貌都可見(jiàn)層狀結(jié)構(gòu),其中,黑色區(qū)域?yàn)樘祭w維,灰色區(qū)域?yàn)殇X箔基體,且碳纖維整體都呈現(xiàn)平行分布特征。由于此時(shí)放大倍數(shù)較小,宏觀上未見(jiàn)碳纖維與鋁箔基體之間存在宏觀裂紋等缺陷,只是在某些熱壓工藝下存在碳纖維斷續(xù)分布的狀態(tài),如試樣1#和試樣4#。

(a)1#

進(jìn)一步對(duì)抗拉強(qiáng)度較大的3#和抗拉強(qiáng)度較小的8#試樣進(jìn)行高倍形貌觀察如圖3所示?？梢?jiàn),熱壓溫度520 ℃、熱壓時(shí)間240 min、熱壓壓力為12 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料(3#)中可見(jiàn)均勻分散的白亮斑,表明鋁基體已經(jīng)與碳纖維發(fā)生了充分?jǐn)U散,形成了良好的界面結(jié)合;從熱壓溫度560 ℃、熱壓時(shí)間160 min、熱壓壓力為8 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料(8#)中可見(jiàn),碳纖維和鋁基體未發(fā)生良好擴(kuò)散,且局部區(qū)域好存在孔洞缺陷以及碳纖維偏聚現(xiàn)象,材料的致密度相對(duì)較低,且在受到外力作用時(shí),這些缺陷會(huì)成為裂紋源[9]而影響抗拉強(qiáng)度。

(a)3#

碳纖維之間已經(jīng)被鋁基體所填充,二者形成了良好的擴(kuò)散,結(jié)合較好;微區(qū)成分主要含有Al和Cu元素,且Al/Cu原子比約為2∶1,結(jié)合文獻(xiàn)可知[10],所標(biāo)識(shí)的區(qū)域?yàn)樵鰪?qiáng)相Al2Cu,在熱壓過(guò)程中除可以起到填充孔隙等缺陷的作用外,還有助于起到顆粒強(qiáng)化效果[11]。

圖4為不同熱壓工藝下碳纖維復(fù)合材料的拉伸斷口形貌?？梢?jiàn),熱壓溫度520 ℃、熱壓時(shí)間240 min、熱壓壓力為12 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料(3#)的拉伸斷口中纖維束未發(fā)生拔出現(xiàn)象,斷面也未見(jiàn)微孔存在,此時(shí)碳纖維和鋁基體發(fā)生了良好的協(xié)同作用[12],拉伸強(qiáng)度較高;熱壓溫度560 ℃、熱壓時(shí)間160 min、熱壓壓力為8 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料(8#)的拉伸斷口形貌中可見(jiàn),局部碳纖維發(fā)生了聚集,且在碳纖維聚集處可見(jiàn)明顯裂紋,這主要是因?yàn)樵诖藷釅汗に囅落X基體與碳纖維的擴(kuò)散不足,溶液產(chǎn)生偏聚等缺陷[13],在承受外力時(shí),裂紋首先在這些缺陷處萌生并擴(kuò)展成裂紋[14],材料的致密度降低、抗拉強(qiáng)度減小。

(a)3#

3 結(jié)語(yǔ)

(1)9組試樣的致密度介于94.4%～98.7%,抗拉強(qiáng)度介于160 MPa～265 MPa。9#試樣的致密度最低、3#試樣的致密度最高;3#試樣的抗拉強(qiáng)度最高、8#試樣的抗拉強(qiáng)度最低,即熱壓溫度520 ℃、熱壓時(shí)間240 min、熱壓壓力為12 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料具有最大的致密度和抗拉強(qiáng)度;

(2)不同熱壓工藝下碳纖維復(fù)合材料的截面形貌都可見(jiàn)層狀結(jié)構(gòu),且碳纖維整體都呈現(xiàn)平行分布特征。宏觀上未見(jiàn)碳纖維與鋁箔基體之間存在宏觀裂紋等缺陷,只是在某些熱壓工藝下存在碳纖維斷續(xù)分布的狀態(tài);

(3)熱壓溫度520 ℃、熱壓時(shí)間240 min、熱壓壓力為12 MPa時(shí)碳纖維復(fù)合材料(3#)的鋁基體已經(jīng)與碳纖維發(fā)生了充分?jǐn)U散,形成了良好的界面結(jié)合;微區(qū)增強(qiáng)相Al2Cu的形成,在熱壓過(guò)程中除可以起到填充孔隙等缺陷的作用外,還有助于起到顆粒強(qiáng)化效果。