Cf/Al-Si复合材料界面反应与润湿性研究

摘要

为了探究基体Si元素对Cf/Al-Si复合材料界面反应的影响规律，本文首先从热力学角度出发，对不同Si元素下界面产物Al4C3和SiC的Gibbs生成自由能和临界形核尺寸进行了理论计算，并以此为基础设计出试验用Al-Si合金的成分为Al20Si。采用挤压铸造法制备得到Cf/Al20Si复合材料，并将Cf/Al20Si复合材料在750℃下保温1、2、3h，以使碳纤维与Al-Si基体间充分反应，再利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜对回熔处理后的复合材料界面组织进行了观察表征，并利用XRD对界面产物进行了定性定量分析，以上结果均与Cf/Alpure复合材料进行对比分析。
　　理论计算结果表明：随着Si元素的增加，Al4C3反应驱动力下降，形核阻力增大，SiC反应驱动力增大，形核阻力减小，即Si元素的增加能改变Cf/Al复合材料的界面反应类型，使界面产物从Al4C3向SiC转变。试验结果表明：Cf/Al20Si复合材料与Cf/Al复合材料相比，界面产物Al4C3含量从17％减少到10%，转而生成了10%的SiC，同时，Al4C3相尺寸减小，数量变少。因此，基体合金中Si的加入将抑制有害界面产物Al4C3的产生，使界面反应产物从Al4C3转化为SiC，试验结果与热力学理论计算结果一致。
　　此外，本文还分别测量了Cf/Alpure复合材料和Cf/Al20Si复合材料的纤维横向弯曲强度，以此表征纤维与基体的结合强度。试验表明，Cf/Alpure复合材料结合强度仅为53.89MPa，Cf/Al20Si复合材料的结合强度仅为71.21MPa。因此,基体 Al合金中Si元素的加入能增加Cf/Al复合材料的界面结合强度。
　　本文还对Cf/Al与Cf/Al20Si界面反应润湿过程进行了研究。首先利用修正后的经典杨氏方程对Cf/Al与Cf/Al20Si的反应润湿性进行了预测，再运用座滴法对1023～1423K温度区间内Cf/Al与Cf/Al20Si润湿角进行测量，试验结果与理论预测结果一致：碳纤维与纯Al、Al20Si合金液在1023～1423K温度区间内，本质为不润湿状态(145～115?)，但经过界面反应生成 Al4C3或SiC后，界面处发生反应润湿，润湿角减小到70～60?之间。碳纤维与Al合金基体间存在着明显的反应润湿过程，反应润湿过程分为反应润湿阶段和Al合金液浸渗纤维两个阶段。合金液表面Al2O3的膜的存在会影响润湿效果，DSC试验表明，合金液表面Al2O3膜在1170～1275K温度区间内发生破裂。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 Cf/Al复合材料概述

1.3 Cf/Al复合材料界面反应

1.4 Cf/Al复合材料界面润湿性

1.5 Cf/Al-Si复合材料

1.6 本文研究目的与研究内容

第2章 试验材料和试验方法

2.1 试验材料

2.2 材料制备与热处理

2.3 试验方法

第3章 Si元素对Cf/Al复合材料界面反应的影响

3.1 引言

3.2 Cf/Al-Si复合材料界面反应的热力学理论计算

3.3 Si元素对Cf/Al复合材料界面反应的影响

3.4 界面反应产物微观组织表征及其对界面结合强度的影响

3.5 本章小结

第4章 Cf/Al-Si复合材料界面润湿性研究

4.1 引言

4.2 Cf/Al-Si复合材料界面润湿性的理论计算

4.3 Cf/Al-Si复合材料的界面润湿性测试

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢