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《陕西理工大学》 2020年 硕士论文
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连续碳纤维增强铝基复合材料制备工艺研究

刘艺  
【摘要】:连续碳纤维增强铝基复合材料具有重量轻、模量高、比强度高等优点,是一种在航空航天和先进武器装备中具有巨大潜力的重要材料,现已发展成为现代国防技术中最具战略意义的结构材料之一,目前国内外研究人员和研究机构对连续碳纤维增强铝基复合材料的制备方法进行了大量的研究,但都局限于层状、板状材料,且材料性能具有方向性。对于如何获得增强体均匀分散的连续碳纤维增强铝基复合材料,使材料在性能上具有“各向同性”的力学特点,文献尚未见介绍。因此,还需优化制备方法与工艺,向生产大体积、大块体和形状复杂的碳纤维增强复合材料方向靠近,使其更易工业化生产。本文以连续碳纤维作为增强体,以纯铝作为基体,探索制备“各向同性”连续碳纤维增强铝基复合材料的方法。采用化学镀铜法对碳纤维表面进行预处理,通过连续碳纤维的预处理,以及在碳纤维表面进行化学镀铜,成功地解决了碳纤维与铝合金基材表面润湿性差的问题,大大增强了复合材料基材与铝合金基材的粘结强度。增强并改善了基材和增强体的化学相容性。碳纤维表面预处理工艺为:除胶→粗化→中和→敏化→活化→解胶→还原→化学镀铜,确定较理想的化学镀铜工艺条件为:12 g/L CuSO_4,15 mL/L HCHO,48 g/L NaKC_4H_4O_6,pH为12.25,温度为60℃,施镀时间为10 min,机械中速搅拌。实验表明,预处理过程中化学镀铜对碳纤维的影响很大,敏化和活化对镀铜的影响最大。实验采用“柔性混合”法均匀分散碳纤维,通过传统的粉末冶金法制备复合材料,通过扫描电子显微镜观察复合材料的微观结构,并测试复合材料的机械性能。实验表明:采用柔性混合法可以有效地分散碳纤维,获得均匀分布的连续碳纤维增强铝基复合材料,复合材料基本趋于各向同性。通过拉伸实验、三点弯曲实验研究证明:复合材料在碳纤维加入质量为0.3%时力学性能最佳,其中复合材料抗拉强度提升了272%(从66.17上升到246.09 MPa)、抗弯强度提升了289%(从104.55上升到302.34 MPa),随着碳纤维质量分数的增加,复合材料的延伸率提高了58%。微观分析表明,碳纤维截面光滑整齐,被拔出现象不明显。暴露在拉伸断裂面上的纤维表面留下具有明显变形痕迹的基质。铝基体的断裂则是因为碳纤维的延伸率要小于铝,故在承受载荷,产生应变时,是碳纤维先断裂,碳纤维断裂后则只由铝基体承受载荷,铝基体继续被拉伸进而引起断裂。铝基体和碳纤维之间的界面很好地结合在一起。尽管可能发生了弱的界面反应,但对复合材料的机械性能影响很小。


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