【摘 要】
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碳纤维增强的复合材料因其重量轻、强度高、热变形小、导电性能好、耐腐蚀和具备屏蔽电磁波干扰的功能等,被广泛地用于制造航天飞机的货舱门和机械臂、宇宙飞船的高增益天线、汽车的传动系统零部件、近海平台的二次结构材料、高铁列车构件和机器人零部件等。由于长连续直碳纤维的伸长率小于2%,目前的直碳纤维增强铝基复合材料几乎不可能进行后续的大塑性变形,应用范围受到一定限制。与传统的直线结构复合材料相比,基于曲线增强
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碳纤维增强的复合材料因其重量轻、强度高、热变形小、导电性能好、耐腐蚀和具备屏蔽电磁波干扰的功能等,被广泛地用于制造航天飞机的货舱门和机械臂、宇宙飞船的高增益天线、汽车的传动系统零部件、近海平台的二次结构材料、高铁列车构件和机器人零部件等。由于长连续直碳纤维的伸长率小于2%,目前的直碳纤维增强铝基复合材料几乎不可能进行后续的大塑性变形,应用范围受到一定限制。与传统的直线结构复合材料相比,基于曲线增强的复合材料,尤其是螺旋结构具有相当大的优势,螺旋纤维通常可以承受较大的伸长率,同时仍保持低应变。螺旋结构在引导裂纹扩展和应力分散方面比直碳纤维结构具有更好的增韧能力。针对高性能复合材料的高强度-低韧性匹配性不足的问题,本文提出了一种螺旋碳纤维增强铝基复合材料制备和成形工艺,解决了由于碳纤维伸长率低而影响复合材料整体韧性的问题,是一种碳纤维复合材料二次加工成形的新方法。其关键是:在铝基复合材料中引入三维螺旋结构碳纤维,螺旋碳纤维随着螺距的增加和螺旋角的减小,成功实现了与铝基体同步伸长变形的效果,提升了复合材料整体韧性和抗冲击性。设计开发了具有自主知识产权的螺旋碳纤维增强铝基复合材料的制备及成形工艺和设备,对复合材料的成形规律进行了分析,为碳纤维复合材料的成形工艺提供了实验和理论依据。主要研究内容及结果如下:（1）从复合材料界面反应的热力学角度出发,预测了界面反应发生的可能性,并且通过Cu镀层的界面迁移动力学来描述界面层形成动力学,根据形成机理,把Cu镀层的界面迁移过程分为铝基体凝固前和铝基体凝固后两部分,用数学解析法求出了在复合材料制备过程中Cu镀层的溶解厚度,并以此推算出所需Cu镀层的最小厚度为0.35μm。另外,通过理论计算,推导出螺旋碳纤维的最佳螺旋角度β为54.73°。研究表明,此螺旋角度有助于螺旋碳纤维与铝基体同步变形伸长,减少螺旋碳纤维与铝基体之间的内应力,而且此时作用在螺旋碳纤维上的力最小。（2）为了在复合材料高温制备过程中对增强相碳纤维进行保护,阻止界面处形成Al4C3脆性相。本文研究出一套螺旋碳纤维表面改性的化学镀铜方案,根据镀层厚度尺寸的理论计算结果,在对螺旋碳纤维起到足够保护作用的同时,镀层厚度又不影响后续的塑性拉拔变形。针对螺旋碳纤维比表面积大,纤维之间因相互缠绕易出现团聚的现象,为了完全去除螺旋碳纤维表面胶层,本研究采用高温灼烧和超声丙酮结合的除胶工艺。通过对比15min、30min、45min和60min四组灼烧工艺,确定440℃下保温45分钟为最佳灼烧工艺。超声波的加入会促进丙酮溶液中微泡的生长和破裂,从而引起局部高压和高温,加速了螺旋碳纤维表面胶层的分解。（3）设计出螺旋碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺,并成功制备出具有定向螺旋结构的碳纤维增强铝基复合棒材,可直接使用,也可以根据最终零件所要求的外形尺寸,经过塑性变形后使用。复合材料的制备设计了专用的模具,可以将预制件很好地控制在中心部位,制备工艺为:将石墨模具预热至550℃保温,纯铝（1060,99.6%）加热至800℃,并保温30分钟,除去表面渣后进行浇注,浇注温度为750℃。通过对铝基体和增强相碳纤维复合材料界面结构的动力学分析,建立了 Al/Cf复合材料界面结构的动力学模型。（4）针对螺旋碳纤维的特点,设计出与之相匹配的塑性拉拔变形工艺。并且采用数值模拟计算的方法,模拟出合理的模具模角为α=7°,并以此为基础进行模具设计和样品制备。经过5道次拉拔,复合材料总变形量达58%,在不超过螺旋碳纤维理论伸长极限的前提下,最大限度提升复合材料伸长率,总伸长率达到203.3%。螺旋碳纤维增强的铝基复合材料的抗拉强度为69.61MPa,对工业纯铝基体拉伸强度的提升效果达到了 16.02%,弯曲强度为189MPa,对铝基体的提升效果达到了 37%。对比了螺旋角为40°、50°和60°的螺旋碳纤维复合材料,螺旋角越大,应变能越低,承受变形的能力也越大,对外加载荷具有更高的耐受性。螺旋碳纤维增强铝基复合材料作为一种轻质的具有高模量和抗冲击的先进结构材料,在航天器结构件和汽车轻量化等领域具有广阔的应用前景。
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