连续SiCf/Al复合材料的界面强度及其对复合材料拉伸强度的影响

摘要

界面在纤维增强金属基复合材料中起着至关重要的作用，它不但是纤维增强金属基复合材料中增强相和基体相互连接的纽带，也是应力和其它信息相互传递的桥梁。很明显，该类复合材料的性能将在很大程度上依赖于其界面性能。因此，要获得性能优异的连续纤维增强铝基复合材料，就存在其界面优化的问题。所以，分析这类复合材料界面强度的影响因素，并建立定量表征其界面强度的测试技术、建立铝基复合材料界面强度与宏观性能的联系，对进一步促进连续SiCf/Al复合材料的界面优化和工程应用具有重要的意义。
　　本文在单根纤维的拔出试验和纤维顶出试验的基础之上，通过采用真空气压浸渗的方法制备了连续单束细丝SiCf/Al复合材料试样，探讨了连续单束细丝SiCf/Al复合材料界面强度的单束拔出测试方法。并着重研究了基体铝合金、纤维预热温度对单束细丝连续SiCf/Al复合材料界面强度的影响及其作用机理，并进一步探寻了复合材料的界面强度对其拉伸强度的影响。主要结论如下：
　　采用美国Instron5543型单立拉伸材料试验机对连续的单束细丝SiCf/Al复合材料进行了单束纤维的拉脱拔出实验，得到了不同条件下的纤维极限拔出长度，拉脱是在基体与纤维之间界面处发生的，应是界面强度的反应，通过单束纤维拔出的微拉伸能有效表征连续SiCf/Al复合材料中纤维/基体的界面强度，尤其对于中、弱界面强度的测试更为有效、简单。
　　连续SiCf/Al复合材料的制备工艺参数（纤维预热温度）及基体合金的特性对复合材料界面强度有着显著的影响。基体合金能有效改变连续SiCf/Al复合材料中纤维/基体之间的界面强度，并对连续SiCf/Al复合材料的拉伸强度有着明显的影响；其中以ZL301为基体的单束连续SiCf/Al复合材料，其界面强度和拉伸强度均最大，为1.8MPa~2.7MPa和235MPa；以ZL102和ZL210A为基体的单束连续 SiCf/Al复合材料，其界面强度和拉伸强度相差不大，分别为0.58MPa~0.87MPa、157MPa和0.65MPa~0.98MPa、154MPa。
　　同时，对复合材料中萃取出SiC纤维的SEM分析也发现，基体铝合金对纤维表面的形貌有明显的影响：从SiCf/ZL102复合材料中萃取出的纤维其表面较光滑，且表面有少许界面相附着在纤维表面，其尺寸较小且比较分散；从SiCf/ZL210A复合材料中萃取出的纤维其表面有较多界面相附着在纤维表面，尺寸较大且比较集中；从SiCf/ZL301复合材料中萃取出的纤维其表面很粗糙，且表面有大量界面相附着在纤维表面，这也从侧面反映出了界面反应的程度。
　　纤维预热温度是连续SiCf/Al复合材料真空气压浸渗成形工艺中的关键参数，改变纤维预热温度能有效调整复合材料中纤维与基体的界面强度，随着纤维预热温度的升高，界面强度表现为逐渐升高的趋势，其中，500℃、530℃的界面强度为0.54MPa~0.81MPa、1.8MPa~2.7MPa，当预热温度上升到550℃，其界面强度进一步提高；而复合材料的拉伸强度在预热温度530℃时达到最大，为232MPa，随着纤维预热温度上升到550℃时，其拉伸强度下降到最小值，仅为118MPa。
　　同时，对复合材料中萃取出SiC纤维的SEM分析也发现：纤维预热温度对纤维表面的形貌有显著的影响，随着纤维预热温度的上升，其表面形貌从光滑表面逐渐过渡到粗糙表面，且纤维表面附着物从仅有少量的极小的点状物，到附着有大量的点状物和块状物，也从侧面反映了界面反应的程度。

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 连续SiCf/Al复合材料用SiC纤维及铝合金概述

1.3 复合材料界面强度的研究现状

1.4 存在的问题

1.5 本文的研究目的和主要内容

第二章 实验材料与实验方法

2.1 实验材料

2.2 连续SiCf/Al复合材料界面强度试样的制备

2.3 测试与表征

第三章 基体合金对连续SiCf/Al复合材料界面强度的影响及其作用机理

3.1 单束SiCf/Al复合材料中纤维的分布

3.2 基体合金对连续SiCf/Al复合材料界面强度的影响

3.3 基体合金对连续SiCf/Al复合材料界面强度的作用机理

3.4 不同基体合金连续SiCf/Al复合材料的拉伸强度

3.5 不同基体SiCf/Al复合材料的界面强度对拉伸强度的影响

3.6 本章小结

第四章 预热温度对连续SiCf/Al复合材料界面强度的影响

4.1 纤维预热温度对连续SiCf/Al复合材料拉伸强度的影响

4.2 纤维预热温度对单束SiCf/Al复合材料中纤维分布的影响

4.3 预热温度对连续SiCf/Al复合材料界面强度的影响

4.4 SiC纤维表面形貌SEM和EDS分析

4.5 不同预热温度连续SiCf/Al的界面强度对拉伸强度的影响

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢