真空吸渗挤压是一种金属基复合材料近终成型新技术,其实质是在真空条件下,使基体合金在高温液相状态下均匀地浸渗到纤维预制体中,并且在高温高压下凝固成形和强制补缩,最终获得浸渗充分、组织性能理想的复合材料。碳纤维增强铝基(C_f/Al)复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、低热膨胀系数等特点,是轻量化、高性能结构材料开发的热点之一,但碳纤维和铝合金的润湿性差、高温时极易氧化变质且容易发生不良的界面反应,连续的2D碳纤维预制体体积分数高、纤维间隙小且不均匀、临界浸渗压力大,要实现充分均匀浸渗十分困难,导致其制备工艺复杂,成本相对较高,这给理想组织性能2D-C_f/Al复合材料的制备带来了巨大挑战。在制备2D-C_f/Al复合材料应用件时,不仅要克服上述一系列复合材料制备难题,还要保证其具有良好的形状尺寸和成形质量,使得复合材料制件的稳定制备也成为一项有重要挑战意义的课题,只有解决上述问题,才能最终实现该类复合材料的推广应用。真空吸渗挤压能够克服上述工艺难题,适宜该类复合材料及制件的有效制备。针对真空吸渗挤压2D-C_f/Al复合材料工艺参数较多、交互作用明显、缺陷难以控制、制件难以有效制备等问题,本文开展了深入的工艺研究与探索,以期实现液态合金充分均匀浸渗、复合材料缺陷有效控制、以及制件的稳定制备。主要研究内容如下:(1)提出了真空吸渗挤压2D-C_f/Al复合材料成形系统总体方案。通过对真空吸渗挤压复合材料工艺过程及方案的深入对比分析研究,设计开发了C_f/Al复合材料挤压成形模具、模具预热装置、以及新型石墨和金属复合的双层结构的铝合金熔炼坩埚等实验关键组成部分,并对铝合金浇注系统等工艺中重要零部件进行了改进完善,构建出可提供高真空度、高浸渗压力以及操作方便的一体化工艺试验系统。(2)从静力学角度,研究了纤维体积分数变化(10%~50%之间)对预制体临界浸渗压力的影响和变化规律;从动力学角度,研究了浸渗压力为0.1~0.9MPa时,浸渗时间与浸渗高度所对应的变化规律,并结合2D碳纤维预制体的纤维排布形式和分布特点,理论推导计算了液态铝合金能够开始浸渗预制体的临界浸渗压力为3.24MPa,利用所开发的压力浸渗装置和真空吸渗挤压试验系统研究了工艺参数对2D-C_f/Al复合材料制备的影响规律,发现当浸渗压力为6~7MPa时,合金开始浸渗,略高于前面的理论计算值3.24MPa,实验所得合金浸渗规律与理论研究相一致,为后续研究奠定基础。(3)研究了工艺参数对真空吸渗挤压2D-C_f/Al复合材料的影响,并较为深入研究了合金浸渗不充分均匀、纤维团聚折断、复合材料铸造孔洞、内部裂纹以及不合理拉伸断口等复合材料制备和测试缺陷,发现工艺参数控制不当是导致上述缺陷的关键因素。通过对工艺深入分析研究,确定真空吸渗挤压2D-C_f/Al复合材料四个最主要影响因素,又采用正交试验设计的方法,研究得到其对复材性能的影响顺序为挤压力>预热温度>挤压温度>熔炼温度,并获得了制备复合材料工艺参数匹配规律,当合金熔炼浇注温度780℃,模具和预制体预热温度615℃,挤压温度620℃,挤压力70MPa,真空度0.09MPa时,制备的复合材料组织性能较为理想,这也为减少和控制缺陷提供了有利支撑。采用上述工艺参数制备得到2D-C_f/Al复合材料拉伸强度达到263MPa,比基体提高了120%。(4)探索了不同纤维铺层对制备2D-C_f/Al复合材料影响,揭示了纤维铺层角度变化对复合材料组织性能的影响规律及作用机制。采用纤维铺层缝合的方法,制备了铺层转角分别为30o,45o,60o和90o的2D碳纤维预制体,利用真空吸渗挤压工艺制备了上述四种2D-C_f/Al复合材料,浸渗效果均较为理想,力学性能与基体相比均得到大幅度提升,断口形貌合理。但当转角为45o时,复合材料可以比基体强度提高112.5%,而当转角为90o时,提高比例仅为63.9%。理论分析计算了四种碳纤维预制体在受拉方向上的纤维承载量,当铺层转角为θ时,第n层铺层纤维布的纤维承载能力可以用公式Fn=|F×cos[(n-1)×θ]|,(0o≤θ≤90o)来描述计算。对比分析发现,不同预制体理论计算的纤维受拉时纤维总承载量与实际试验测得的拉伸强度变化趋势相一致,可见铺层转角对2D-C_f/Al复合材料的性能有显著影响,这为多向C_f/Al复合材料的深入研究和推广应用打下基础。(5)开展了真空吸渗挤压2D-C_f/Al复合材料异型件制备技术研究,获得了2D-C_f/Al复合材料制件的有效制备经验。通过对异型件形状尺寸分析和不同制备方案的对比研究,设计加工了石墨腔-整体成型式的2D-C_f/Al复合材料异型件成型模具。结合碳纤维布的特点及纤维分布对复合材料组织性能的影响规律的研究结论,对比分析了多种预制件的制备方法,确定了合理的预制体制备方案并制备出异型件预制体。利用真空吸渗挤压工艺参数匹配规律研究结果,采用该工艺制备出了轮廓清晰,尺寸吻合度好,没有明显宏观缺陷的2D-C_f/Al复合材料异型件。(6)开展了2D-C_f/Al复合材料异型件组织性能的分析测试研究。组织观察发现成形出的2D-C_f/Al复合材料异型件浸渗充分均匀,没有明显缺陷。测试发现其密度比基体降低17.4%,致密度达到98.6%,热膨胀系数(α)明显低于基体。100℃时,制件横向和纵向α分别为基体的52.2%和22.5%,而300℃时分别仅为基体的28.7%和51.4%。制件弯曲强度和拉伸强度分别比基体提高了138.1%和115.8%,断口形貌较为合理。从而说明采用真空吸渗挤压工艺,可以制备出有一定结构形状的2D-C_f/Al复合材料制件,这为2D-C_f/Al复合材料及其制件的可靠稳定制备以及工业化应用提供了借鉴。