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《哈尔滨工业大学》 2010年
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Ti_f/Al复合材料微观组织和力学性能研究

王萌  
【摘要】:在目前开发和应用的金属基复合材料中,铝基复合材料的研究最为深入。铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量大、导电导热性好、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、抗蠕变、耐疲劳等一系列优点。钛纤维具有比强度高、塑性好、耐腐蚀等特点。因此,本文制备了Ti_f/Al复合材料,希望综合基体与增强体的优点,以期获得一种轻质高强,化学稳定性好,能够广泛应用的航天航空材料。 本文采用压力浸渗法制备了Ti_f/Al及2D-Ti_f/Al复合材料。为了抑制过强的Ti-Al界面反应,减少脆性相TiAl_3的生成,在钛纤维表面利用真空离子镀膜法制备了TiN薄膜。利用光学显微镜、精密分析天平、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射对复合材料的微观组织和界面形貌进行研究。对Ti_f/Al和2D-Ti_f/Al复合材料的力学性能进行了研究,获得了不同纤维方向、不同体积分数和不同环境温度下材料力学性能的变化规律,并分析了纤维涂层对材料力学性能的影响。 TiN涂层厚度非均匀分布,平均厚度在2μm左右。不含涂层的钛纤维表面有反应产物生成,含涂层的钛纤维表面没有发现TiAl_3的存在,证明TiN涂层的出现有效的阻止了界面扩散,有效地控制了界面反应。通过在纤维表面制备TiN涂层,Ti_f/Al复合材料的抗拉强度提高了近15%,说明的涂层有效改善了界面状况。另一方面,材料的延伸率略有下降。 单向Ti_f/Al复合材料的纵向抗拉强度达到806MPa,而且材料具有良好的延伸率和塑性。随着应力方向与纤维轴向之间夹角的增加,复合材料断裂失效方式有着明显的变化,在0°-30°方向为轴向拉应力导致的纤维拔出的断裂模式;30°-45°方向为轴向拉应力和界面剪切应力共同作用的失效模式,而45°-90°方向为界面在拉应力作用下的断裂模式。单向板不同方向的拉伸强度基本符合Tasi-Hill准则。材料的抗弯强度达到1350MPa,具有较高的强度和韧性。2D-Ti_f/Al复合材料具有良好的各向同性特点,而45°方向具有较高的拉伸强度和延伸率。 Ti_f/Al复合材料具有较高的高温弯曲强度,随着温度的升高,材料的塑性提高,界面结合强度降低,材料的延伸率的得到进一步的提高。单向Ti_f/Al在500℃时可达650MPa,2D-Ti_f/Al在300℃时以下可保持在300MPa以上。
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