Cf/Mg复合材料的微观结构及性能研究

来源 :沈阳工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wujie1983
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连续碳纤维(Continuous carbon fiber,Cf)增强镁基复合材料(Cf/Mg)具有低密度、高比强度、高比模量、低热膨胀系数和良好的导热、阻尼性能等特点,是国防、航空航天等技术领域不可缺少的关键结构材料,同时在信息和军工等领域拥有良好的应用前景。为提高Cf与Mg基体之间的润湿性,本研究在T700S高强度Cf表面采用溶胶-凝胶法涂覆了Ti O2纳米涂层,经750℃烧结后,Ti O2涂层呈现出金红石和锐钛矿混合型结构。界面微观结构研究结果表明,在Cf/Mg复合材料的制备过程中Ti O2涂层与Mg基体发生界面反应,形成主要由Mg O纳米颗粒组成的厚度约为30nm的界面反应层。反应生成物Mg O的体积大于原涂层的体积导致界面层中形成巨大的压应力,在压应力的作用下,界面层发生了塑性变形,并在Mg O晶粒的晶界处形成了非晶相。在经过Ti O2纳米涂层改性的复合材料中,少量被还原的Ti元素扩散到Cf表面形成Ti C颗粒进而提高了界面反应层的致密度。通过改变Al2O3颗粒的加入量,采用压力浸渗法制备了体积分数分别为36%、38%和40%的Cf/Mg复合材料,其抗弯强度分别达到635MPa、665MPa和685MPa。在T700S高强度Cf表面采用溶胶-凝胶法涂覆了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)纳米涂层。XRD分析表明,YSZ涂层为四方相Zr O2。此外,在制备复合材料的冷却过程中,界面层中形成了巨大的拉伸态的热残余应力。界面层中残留的Zr O2颗粒在拉伸态的热残余应力的作用下由四方相转化为单斜相。Zr O2相变引起的体积膨胀可以松弛界面层的拉伸态的热残余应力、提高界面反应层的变形协调能力,进而提高复合材料的力学性能。通过改变Al2O3颗粒的加入量,采用压力浸渗法制备了体积分数分别为36%、38%和40%的Cf/Mg复合材料,其抗弯强度分别达到658MPa、672MPa和710MPa。采用新颖的溶胶-凝胶与碳热还原相结合的方法,对M55J高模量Cf表面进行Ti B2纳米涂层改性。制备了掺杂五硼酸铵(NH4B5O8)的Ti O2溶胶(0.2 mol/L),其Ti与B的摩尔比为1:2,然后均匀涂覆到Cf表面。XPS分析表明,经1350℃烧结120min后,Cf表面涂层发生原位反应并生成了Ti B2。HRTEM分析表明,厚度约为30nm的界面层由Ti B2和少量的Ti C、Ti O2纳米颗粒组成。采用压力浸渗法分别制备了体积分数为40%和50%的Cf增强镁基(Cf/Mg)复合材料,其抗弯强度分别达到702MPa和870MPa。
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