連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備工藝研究

孫振明，胡小石，張春雷，蔣 博，王曉軍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)鎂基(Cf/Mg)復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度、比剛度和良好的阻尼減振性能、熱電傳導(dǎo)性能、熱穩(wěn)定性。該材料質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)效率高、尺寸穩(wěn)定性好，能滿足航天結(jié)構(gòu)材料的要求，是宇航、兵器、電子等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的理想材料[1-2]。美國航空航天局(NASA)采用Cf/Mg復(fù)合材料制作衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)、空間動力回收系統(tǒng)構(gòu)件、空間站撐桿、航天飛機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)殼體、空間反射鏡架等；哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的部分構(gòu)件采用T300 Cf/Mg復(fù)合材料；美國金屬基鑄造復(fù)合材料公司制備了連續(xù)和非連續(xù)石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于大氣層外殺傷飛行器(EKV)的反射鏡鏡架和測量用構(gòu)件中。

制備Cf/Mg復(fù)合材料的最大難點(diǎn)是碳纖維和鎂基體的潤濕性差[3]，其解決方法主要有兩種：一是在碳纖維表面涂層，短碳纖維表面經(jīng)過化學(xué)鍍鎳后，基體鎂與涂層發(fā)生反應(yīng)，從而改善潤濕性[4-5]；二是在基體中加入可與碳纖維發(fā)生反應(yīng)的合金元素(如Gd，Al)，從而改善碳纖維與鎂基體之間的潤濕性[6-8]。目前，大多數(shù)人選擇第二種方法，但熔體很難自然浸滲到密集的碳纖維束之間。由于采用壓力浸滲法制備的鑄件復(fù)合材料的力學(xué)性能較高[9-12]，因此人們多采用壓力浸滲法制備Cf/Mg復(fù)合材料。本文選取鎂合金AZ91D作為基體，就壓力浸滲法對復(fù)合材料組織與力學(xué)性能的影響展開研究。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中用到的材料主要有普通商用鎂合金AZ91D、日本東麗單向連續(xù)高強(qiáng)度碳纖維T300和T700。表1為鎂合金AZ91D的化學(xué)成分，表2為碳纖維與AZ91D的部分物理性能。

利用三維自動纏繞機(jī)將碳纖維纏繞在150 mm×75 mm×50 mm的石墨塊上制成預(yù)制件，纏繞方向?yàn)槔w維零度單向，纏繞角為89.5°，纏繞張力為3 N；將預(yù)制件放在模具中預(yù)熱，同時將質(zhì)量為6.5 kg的鎂合金AZ91D加熱融化，當(dāng)預(yù)制件預(yù)熱到350 ℃且保溫30 min時，利用鎂熔體在預(yù)制件周邊進(jìn)行澆邊，確保預(yù)制件在澆鑄和擠壓過程中無法活動；將預(yù)制件溫度升高至450～500 ℃且保溫40 min以上，當(dāng)模具內(nèi)的溫度均勻后，將750～820 ℃的鎂熔體迅速澆入模具中并立即加壓，使鎂熔體浸滲到預(yù)制體的纖維之間，并在6.9 MPa壓力下保持20 min，待熔體凝固后退模，空冷后得到鑄態(tài)Cf/Mg復(fù)合材料；利用Quanta 200FEG掃描電子顯微鏡對復(fù)合材料的微觀組織和彎曲斷口形貌進(jìn)行觀察，在Instron-5569萬能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上測試Cf/Mg復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，每個工藝參數(shù)取3個試樣進(jìn)行測試，彎曲試樣尺寸為2 mm×10 mm×40 mm，跨距為30 mm，橫梁的移動速度為2 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 Cf/Mg復(fù)合材料的微觀組織

為研究預(yù)熱溫度和澆鑄溫度對復(fù)合材料中碳纖維的分布，了解碳纖維與基體鎂合金界面的結(jié)合情況，對制備出的2種復(fù)合材料進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)分析。圖1為不同預(yù)熱溫度和澆鑄溫度條件下制備的T300/AZ91復(fù)合材料。由圖1(a)，1(b)和1(c)可見：當(dāng)澆鑄溫度為800 ℃、預(yù)熱溫度為450 ℃時，碳纖維在基體合金中的分布最為致密和均勻；隨著預(yù)熱溫度的升高，碳纖維在基體合金中的分布越來越稀疏，碳纖維表面出現(xiàn)黑色的損傷。由圖1(d)，1(e)可見：當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃、澆鑄溫度為820 ℃和750 ℃時，T300碳纖維未滲透；當(dāng)澆鑄溫度為820 ℃時，碳纖維表面發(fā)現(xiàn)損傷且無法完全浸滲。

表1 AZ91D的化學(xué)成分

表2 碳纖維與AZ91D的部分物理性能

圖1 不同溫度條件下制備的T300/AZ91復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photographs of T300/AZ91 composites prepared at different temperatures

在不同預(yù)熱溫度、不同澆鑄溫度條件下制備的T700/AZ91復(fù)合材料如圖2所示。由圖2(a)，2(b)和2(c)可見：當(dāng)澆鑄溫度為750 ℃時，隨著預(yù)熱溫度的升高，T700碳纖維在基體中的分布規(guī)律和T300/AZ91復(fù)合材料中的一樣，即預(yù)熱溫度為450 ℃時，碳纖維在基體合金中的分布最為致密和均勻。由圖2(a)，2(d)和2(e)可見：當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃時，隨著澆鑄溫度的升高，碳纖維在基體中的分布愈加不均勻，表面損傷愈加嚴(yán)重。

圖2 不同溫度條件下制備T700/AZ91復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photographs of T700/AZ91 composites prepared at different temperatures

2.2 Cf/Mg復(fù)合材料的彎曲斷口組織

在不同預(yù)熱溫度、不同澆鑄溫度條件下制備的T700/AZ91復(fù)合材料的彎曲斷口如圖3所示。由圖3(a)，3(b)和3(c)可見：在澆鑄溫度為750 ℃、預(yù)熱溫度為450 ℃條件下制備的復(fù)合材料，其彎曲斷口中發(fā)現(xiàn)纖維拔出的斷裂現(xiàn)象，一定程度上提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。隨著預(yù)熱溫度的升高，纖維拔出現(xiàn)象逐漸消失，斷口逐漸變?yōu)槠蕉丝?，并發(fā)現(xiàn)纖維表面大量損傷。由圖3(a)，3(d)和3(e)可見：當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃時，隨著澆鑄溫度的升高，纖維表面與鎂熔體的表面溫度差變大，界面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力差，彎曲斷口中碳纖維與基體的界面處出現(xiàn)明顯的脆性斷裂。

圖3 不同溫度條件下制備的T700/AZ91復(fù)合材料的彎曲斷口SEM照片F(xiàn)ig.3 Bending fracture SEM photographs of T700/AZ91 composites prepared at different temperatures

圖4 不同溫度條件下復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度Fig.4 Bending strength of composites prepared at different temperatures

2.3 Cf/Mg復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度

對不同壓力浸滲溫度條件下制備的2種復(fù)合材料分別進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。在不同預(yù)熱溫度、不同澆鑄溫度條件下制備的T700/AZ91和T300/AZ91復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度如圖4所示。

在預(yù)熱溫度為450 ℃、澆鑄溫度不同的條件下制備復(fù)合材料，材料的彎曲強(qiáng)度如圖4(a)所示。由圖可見：當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃時，T700/AZ91復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著澆鑄溫度的升高而降低。當(dāng)澆鑄溫度為750 ℃時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最高，為1 153 MPa；當(dāng)澆鑄溫度為800 ℃和820 ℃時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度分別為843 MPa和749 MPa，彎曲強(qiáng)度降低的原因應(yīng)該是澆鑄溫度的升高使碳纖維與基體合金的界面反應(yīng)過多，過高的界面結(jié)合強(qiáng)度使斷口在纖維與基體結(jié)合的界面處呈明顯的脆性斷裂。在制備T300/AZ91復(fù)合材料過程中，當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃、澆鑄溫度為750 ℃時，復(fù)合材料未滲透，其原因應(yīng)該是浸滲溫度太低使碳纖維還未浸滲到基體中，熔體就已開始凝固。當(dāng)澆鑄溫度為800 ℃時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度最高，為865 MPa；當(dāng)澆鑄溫度為820 ℃時，溫度較高使碳纖維表面受損，碳纖維在復(fù)合材料中的增強(qiáng)作用減弱，所以復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有所下降。

在澆鑄溫度為750 ℃和800 ℃、預(yù)熱溫度不同的條件下制備T700/AZ91和T300/AZ91復(fù)合材料，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度如圖4(b)所示。由圖可知：當(dāng)澆鑄溫度為750 ℃時，T700/AZ91復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著預(yù)熱溫度的升高持續(xù)下降。當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃時，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高，為1 153 MPa；當(dāng)預(yù)熱溫度升高到500 ℃和550 ℃時，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度分別為751 MPa和516 MPa，僅約為450 ℃時的一半，其原因可能是碳纖維隨著預(yù)熱溫度的升高損傷嚴(yán)重，導(dǎo)致其在基體中分布的均勻性和致密性下降，也可能是預(yù)熱溫度升高造成T700/AZ91復(fù)合材料的斷口由纖維拔出的斷裂形式演變?yōu)槠蕉丝诖嘈缘臄嗔研问?，降低了?fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。當(dāng)澆鑄溫度為800 ℃時，T300/AZ91復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著預(yù)熱溫度的升高而急劇下降；當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度最高，為843 MPa。當(dāng)預(yù)熱溫度升高到500 ℃和550 ℃時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度分別為277 MPa和208 MPa，彎曲強(qiáng)度降低，其原因應(yīng)該是溫度升高造成T300碳纖維受到熱損傷，無法充分發(fā)揮碳纖維在基體中的增強(qiáng)作用。

3 結(jié)論

本文采用壓力浸滲法制備T300/AZ91和T700/AZ91復(fù)合材料，通過改變預(yù)熱溫度和澆鑄溫度，對壓力浸滲法中的溫度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

1) 預(yù)熱溫度和浸滲溫度既不能過高，也不宜過低。溫度過高容易損傷碳纖維，影響其在基體合金中的分布；溫度過低會使熔體在碳纖維還未完全浸滲時就已開始凝固。

2) 在制備T300/AZ91D復(fù)合材料的過程中，當(dāng)澆鑄溫度為800 ℃時，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度隨著預(yù)熱溫度的升高而降低；當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃、澆鑄溫度為750 ℃時，復(fù)合材料未滲透，其彎曲強(qiáng)度在澆鑄溫度為800 ℃時達(dá)到最高，當(dāng)澆鑄溫度為820 ℃時，彎曲強(qiáng)度再次下降，所以最佳預(yù)熱溫度和澆鑄溫度分別為450 ℃和800 ℃，最佳彎曲強(qiáng)度為865 MPa。

3) 在制備T700/AZ91D復(fù)合材料的過程中，當(dāng)澆鑄溫度為750 ℃時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著預(yù)熱溫度的升高而降低；當(dāng)預(yù)熱溫度為450 ℃時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨澆鑄溫度的升高而逐漸降低；最佳預(yù)熱溫度和澆鑄溫度分別為450 ℃和750 ℃，最佳彎曲強(qiáng)度為1 153 MPa。

該研究提高了Cf/Mg復(fù)合材料的力學(xué)性能,使該材料能更廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。后續(xù)將重點(diǎn)分析溫度對鎂基復(fù)合材料顯微組織的影響規(guī)律，研究鎂基復(fù)合材料的加工性能。