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《太原理工大学》 2018年
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碳纤维织物增强铜基复合材料的制备和性能研究

王亚丽  
【摘要】:本文采用无压熔渗的方法制备碳纤维织物增强铜基复合材料(C_f/Cu-Ti和C_f/Cu-Zr),通过添加合金元素钛、锆来改善碳相与铜相的界面结合和润湿性能,并对复合材料进行组织分析,热物理性能测试和高应变速率条件下的压缩性能测试。研究合金元素含量对复合材料组织性能的影响,以期为碳纤维织物增强铜基复合材料的应用提供理论依据。本文在铜基体中添加不同含量的合金元素Ti和Zr,通过无压熔渗的方法制备出C_f/Cu-Ti复合材料和C_f/Cu-Zr复合材料。采取SEM和XRD分析C_f/Cu-Ti、C_f/Cu-Zr这两种试样的显微组织及界面层物相成份。C_f/Cu复合材料界面结合良好,无显微孔洞。合金元素主要与碳纤维发生化学反应生成碳化物(TiC、ZrC),集中在界面层附近,而合金中富余的铜逐渐在界面扩散区聚集形成“富铜区”。研究了Zr含量对C_f/Cu-Zr复合材料热导率和热膨胀性能的影响。结果表明添加锆元素后,随着合金元素含量的增加,复合材料的孔隙率逐渐降低,材料热导率和热膨胀系数降低。表明合金元素Zr的添加可以有效改善复合材料的热膨胀性能,但却不利于复合材料热导率。当Zr含量为30%时,在600℃测量的C_f/Cu复合材料平行方向上的热膨胀系数最低至5.9×10~(-6)K~(-1);C_f/Cu-Zr复合材料在常温下,平行方向上的热导率最高为153 W/m·K。通过将实际测量值与理论预测模型对比计算,得出热膨胀系数各理论模型计算值与实验测量值变化趋势类似,均随着锆含量的增加而减小。根据实验对比可知,Schapery模型与碳纤维增强铜基复合材料的热膨胀系数结果最相近。研究了C_f/Cu-Ti复合材料动态压缩行为。实验结果表明在相同方向相同应变速率条件下,C_f/Cu-Ti复合材料的动态压缩强度随着Ti含量的增加而增加。对比准静态压缩试验和动态压缩试验结果,发现C_f/Cu-Ti复合材料在高应变速率条件下表现出较高的塑性破坏应力,并且出现应变软化。在动态压缩实验过程中应变速率从800 s~(-1)增加到1800 s~(-1)时,C_f/Cu-30%Ti复合材料在平行方向上的压缩强度由440 MPa增加到769 MPa。证明C_f/Cu-Ti复合材料具有明显的应变率强化效应。C_f/Cu复合材料在高应变速率压缩条件下的失效模式,平行碳纤维层方向表现为层间劈裂;垂直于层向是剪切破坏宏观显示为V形裂纹。在准静态压缩载荷条件下,C_f/Cu-Ti复合材料失效模式主要表现为60°剪切破坏。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB333

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