摘要
碳纤维增强铝基（Cf/Al）复合材料具有强度高、刚度大、耐磨损、热膨胀系数低以及结构稳定等优点，在汽车制造、航空航天等领域得到广泛应用。在制备Cf/Al复合材料过程中，铝基体与碳纤维浸润性差是目前主要存在的问题。为提高两者的界面结合强度，本文首先利用电弧喷涂方法制备出Cf/Al复合材料，然后利用真空热压的方法对Cf/Al复合材料进行处理，使铝液完全浸渗到碳纤维束中。本文主要采用工业纯铝作为Cf/Al复合材料的基体材料，以TR30S3L碳纤维作为增强体，体积分数约为8％。通过对碳纤维表面进行镀铜处理及优化真空热压处理工艺参数等方式，达到改善界面结合强度的目的。本文主要研究了热压温度、热压时间和热压压力对Cf/Al复合材料的微观组织、界面反应和抗拉强度的影响。取得的主要研究结果如下: 利用电弧喷涂方法制备的未镀铜Cf/Al复合材料，铝液在纤维束中的浸润性稍差，纤维束并未完全被铝基体所包覆，碳纤维易从铝基体中抽离。单根纤维截面形状由原来的圆型截面变化为不规则的椭圆型;同时，碳纤维与铝的界面结合处也发生化学反应。碳纤维表面经化学镀铜后，碳纤维与铝基体的润湿性得到了明显的提高，但在纤维束中铝液的浸渗量依旧偏少。镀铜层的加入有效地避免了碳纤维与铝液的直接反应所生成的Al-C化合物。 通过真空热压对镀铜Cf/Al复合材料进行处理，在540℃到580℃的热压温度范围内，Cf/Al复合材料中仅发现Al2Cu相的特征衍射峰，该种现象证明Cf/Al复合材料中碳-铝界面之间发生了有效的界面结合。在30min到90min的热压时间范围内，热压时间的延长有利于铝基体在单根碳纤维之间扩散。但当热压温度升到580℃后，铝基体和纤维镀铜层发生熔化，且易被挤出预制体外，导致Cf/Al复合材料组织内部缺陷增加。 在真空热压处理的基础上，结合正交实验方法，对工艺参数进一步验证并进行抗拉强度测试，研究了真空热压工艺参数对镀铜Cf/Al复合材料的性能影响，并获得了最佳的工艺参数组合。三种不同的热压工艺对抗拉强度的影响具有明显的主次关系，即热压时间-热压温度-热压压力。对真空热压镀铜Cf/Al复合材料的硬度测试后发现，随着局部碳纤维体积分数的增加，硬度也有所增大。通过抗弯实验发现，镀铜Cf/Al复合材料进行真空热压处理以后，试样的界面结合强度也相对提升，对力学性能产生显著影响。
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