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相较于单向Cf/Al复合材料,3D-Cf/Al复合材料除具有轻质、高比强度、高比刚度及耐磨性好等优良性能外,还具有耐冲击、不分层、抗开裂及耐疲劳等特点,表现出特有的整体性,备受航空航天部门的关注,并已发展成为现代国防高端技术领域最具战略性的结构材料之一。其中,真空气压浸渗法具有浸渗压力易控制、预制体不易变形破坏、零件适应性强、零件强度均匀、成本较低、能实现近净成形等优点,是3D-Cf/Al复合材料复杂构件制备的主要方法。而区别于3D纤维增强树脂基与陶瓷基复合材料,3D纤维增强金属基复合材料因纤维与金属之间存在的严重界面反应以及金属和纤维的不相容性,使其应用远远滞后于前两种复合材料。本文选用ZL301作为基体合金、石墨纤维M40作为增强体材料,纤维预制体分别采用单项纤维排列(碳纤维体积分数为40%)和三维五向编织体(碳纤维体积分数为51%),着重进行了3D-Cf/Al复合材料的真空气压浸渗工艺研究。并进一步探讨了预热温度对3D-Cf/Al复合材料致密化及拉伸强度的影响。取得以下研究成果:实验表明保压时间大于8 min、浸渗温度高于700℃、预热温度高于450℃时单向Cf/Al复合材料能够得到充分浸渗。在单向Cf/Al复合材料浸渗工艺参数研究的基础上,制备出了不同工艺参数下的3D-Cf/Al复合材料试样,通过分析3D-Cf/Al复合材料试样的微观组织、致密度和力学性能,优化得出3D-Cf/Al复合材料的最优工艺参数为:保压时间为20 min、浸渗温度为730℃、预热温度为500~550℃。3D-Cf/Al复合材料与单向Cf/Al复合材料浸渗机理存在差异,区别于单向排列预制体的简单同向浸渗通道,三维五向编织预制体的浸渗通道复杂,3D-Cf/Al复合材料完成浸渗的工艺条件比单向Cf/Al复合材料要高。预热温度为450℃时单向Cf/Al复合材料可完成浸渗,得到致密度大于95%结构致密的复合材料。预热温度为440、470℃时3D-Cf/Al复合材料致密度分别为88.09、89.91%,浸渗不完全、结构不致密,当预热温度大于500℃时致密度大于95%,复合材料结构致密。预热温度是影响3D-Cf/Al复合材料致密度及拉伸强度的关键因素。预热温度为440、470℃时,3D-Cf/Al复合材料不致密且界面结合弱,拉伸强度为396.37、575.42 MPa;预热温度高于为500~550℃时,3D-Cf/Al复合材料结构致密且界面反应适中界面结合强,拉伸强度大于770 MPa;预热温度为600℃时,3D-Cf/Al复合材料结构致密,但界面反应过度,生成了大量脆性相Al4C3,纤维的增强作用大大降低,拉伸强度为349.58 MPa。3D-Cf/Al复合材料比单向Cf/Al复合材料更不容易发生纤维团聚。三维编织预制体纤维之间存在相互约束,浸渗过程中纤维之间的相对位置不易发生改变,单向排列预制体纤维之间相对独立,受外力作用下容易发生偏移、团聚,当预热温度、浸渗温度不够高,基体合金流动性较差时,单向Cf/Al复合材料比3D-Cf/Al复合材料更容易发生纤维团聚。相同工艺条件下,单向Cf/Al复合材料的拉伸强度整体要高于3D-Cf/Al复合材料,随着预热温度的升高,拉伸强度差异减小,预热温度高于600℃时二者拉伸强度相当。当预热温度为450℃时3D-Cf/Al复合材料的拉伸强度为403.57MPa,单向Cf/Al复合材料拉伸强度为588.50 MPa,单向Cf/Al复合材料拉伸强度远大于3D-Cf/Al复合材料;当预热温度为530℃时,3D-Cf/Al复合材料的拉伸强度为782.33 MPa,单向Cf/Al复合材料拉伸强度为887.71 MPa,单向Cf/Al复合材料拉伸强度仍高出3D-Cf/Al复合材料很多;当预热温度为600℃时,3D-Cf/Al复合材料的拉伸强度是349.58MPa,单向Cf/Al复合材料拉伸强度是348.21MPa,二者拉伸强度相当。