碳纤维增强铝基复合材料制备及性能研究

摘要

碳纤维增强的铝基复合材料是以碳纤维作为增强相，金属铝或铝合金为基体的复合材料。铝基体起固结纤维和传递载荷以及部分承载的作用，碳纤维则作为增强相改善了金属基体性能的不足。碳纤维增强铝基复合材料与金属材料相比，具有轻质，高的比强度和比模量、良好的尺寸稳定性以及低膨胀系数、耐磨耐蚀等优点；与陶瓷相比，具有高的韧性和耐冲击性等优点。近年来碳纤维增强的铝基复合材料以其轻质高强等优越性能广泛应用于航空航天、汽车、电子仪器以及民用器具等领域。因此对该复合材料的研究有一定的实践指导意义。
　　为了改善碳纤维与基体的润湿性，本试验对碳纤维进行了表面改性处理，研究了碳纤维表面预处理方式对电镀铜的影响，对镀铜层进行了 SEM表征和 XPS分析。采用真空热压烧结法制备了碳纤维增强的铝基复合材料，探讨了碳纤维表面改性方式和含量对复合材料力学材料性能及致密度的影响。
　　碳纤维表面改性表明：经过浓硝酸浸泡处理的碳纤维表面会变的粗糙，轴向沟壑状条纹明显增多；经XPS分析，碳纤维表面有很多亲水性含氧官能团C—OH、C=O、COOH等，能够有效改善碳纤维与镀液的润湿性，使得碳纤维均匀分散在镀液中，保证了镀铜的顺利进行。镀层形成分三个阶段：形核阶段、迅速成长阶段以及饱和阶段。镀层是由连续的铜颗粒堆积组成的，镀层均匀、致密，无明显的缺陷，镀层与碳纤维仿形生成，形成一个紧密的镶嵌体系，使得镀层与碳纤维的结合更加牢固。镀层中Cu主要以单质的形式存在，镀层表面部分Cu被大气中氧气氧化生成成 CuO。镀层厚度随电镀电压、电镀温度增大以及电镀时间的延长逐渐变厚。
　　复合材料微观组织观察表明：复合材料中碳纤维质量分数较小时，碳纤维分布较为均匀，质量分数较大时出现碳纤维团聚；镀铜碳纤维与基体结合界面较未镀铜处理碳纤维的界面结合紧密。复合材料力学性能测试表明：镀铜碳纤维增强的复合材料显微硬度随碳纤维质量分数的增大而增大，相反，未镀铜碳纤维增强的复合材料显微硬度随碳纤维质量分数的增大而降低。随碳纤维质量分数的增大，复合材料的抗拉强度和弯曲强度也不断增大，当碳纤维质量分数为6％时，复合材料的综合力学性能达到最佳。连续碳纤维增强的铝基复合材料抗拉强度和弯曲强度均高于短碳纤维增强的复合材料。
　　复合材料致密度测试表明：热压烧结制备得到的复合材料致密度随碳纤维含量的增大而降低。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第1章 绪论

1.1碳纤维概况

1.2 金属基复合材料

1.3碳纤维增强的铝基复合材料

1.4本课题的研究意义及内容

第2章 试验材料及试验方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3试验技术路线

2.4试验方案

第3 章 碳纤维增强相镀铜预处理

3.1表面预处理短碳纤维

3.2表面镀铜短碳纤维

3.3连续碳纤维镀铜

3.4碳纤维增重率

3.5本章小结

第4章 碳纤维增强铝基复合材料的组织与性能

4.1碳纤维增强铝基复合材料的微观组织

4.2碳纤维增强铝基复合材料的力学性能

4.3 短碳纤维与连续碳纤维增强铝基复合材料力学性能比较

4.4 碳纤维增强铝基复合材料的致密度

4.5本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文