不同长度短碳纤维增强2024Sc铝基复合材料组织及性能研究

摘要

本文采用传统的熔炼铸造法制备了2024Sc铝合金，并采用液态搅拌铸造法制备质量分数为3％长度分别为2mm、3mm、4mm、5mm短碳纤维增强2024Sc铝基复合材料。用化学镀铜的方法处理碳纤维，采用扫描电子显微镜（SEM）观察材料的微观组织和拉伸断口形貌，采用EDS分析材料的微观组织中第二相成分，利用阿基米德原理，对材料的密度、致密化程度进行分析，通过室温拉伸试验、加载-卸载试验测量了五种材料双级时效下的常规力学性能和微屈服性能，采用热膨胀仪测量材料的热膨胀系数。结果表明：
　　（1）铸态的2024Sc铝合金，由于非平衡凝固时发生偏析，微观组织中有白色连续网状的第二相和深灰色α-Al基体组成，在Cf增强复合材料中观察到碳纤维均匀分布在界面上，发生了轻微的界面反应。经过均匀化处理后，连续白色网状第二相变成不连续状，Zr、Sc部分溶解到基体中，部分以Sc、Zr化合物的形式存在。经过挤压后，第二相晶粒被拉长且沿着晶界分布，碳纤维由乱序排列变成沿着挤压方向分布。
　　（2）研究发现，复合材料的理论密度和实际密度均小于2024Sc铝合金，铸态时的密度均小于挤压后的密度。随着碳纤维长度的增加，复合材料的铸态密度先增加后降低，经过挤压后复合材料的密度之间没有明显差异，但是，复合材料孔隙率明显降低，孔隙率分别降低了71.3%、59.4%、80.2%和80%。且随着碳纤维长度的增加，复合材料的致密化程度越来越高，改善了材料的力学性能。
　　（3）经过495℃/2h固溶，130℃/3h+200℃/（5h、10h、15h）双级时效处理后，研究发现，当碳纤维长度小于5mm时，同种材料的抗拉强度、屈服强度和弹性模量均是先升高后降低，终级时效10h时复合材料的抗拉强度、屈服强度和弹性模量最大分别为472MPa、411MPa、87GPa；当长度为5mm时，峰时效时间提前至5h，抗拉强度和屈服强度分别达到494MPa、419MPa；当铝合金中添加碳纤维后，材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率均下降，但是材料的弹性模量明显提高，最高为90GPa；复合材料经过拉伸后，通过观察断口形貌发现，碳纤维一般被拔出（提前失效）或拔断。
　　（4）研究发现，微屈服阶段时效硬化率远远高于屈服阶段的时效硬化率，经过495℃/2h固溶，130℃/3h+200℃/10h双级时效处理后，材料的微屈服达到最大值。随着碳纤维长度的增加，Cf增强复合材料的微屈服强度先升高后降低，当碳纤维长度为4mm，复合材料的微屈服强度达到最大值为304MPa。随着碳纤维的加入，降低了Cf增强复合材料的微屈服强度。
　　（5）研究发现，材料相对伸长量与温度变化基本上呈线性关系。加入碳纤维后，复合材料的热膨胀系数降低，随着碳纤维长度的增加，复合材料的热膨胀系数先降低后升高。当碳纤维长度为4mm时，复合材料的热膨胀系数最小，为24.2×10-6/℃。
　　综合分析可得，当碳纤维为4mm时，综合性能最佳。

目录

声明

1 绪论

1.1 Al-Cu-Mg系铝合金

1.2 铝基复合材料

1.3 碳纤维增强铝基材料性能的研究

1.4 本文研究目的和主要内容

1.5 技术路线

2 材料的制备及研究方法

2.1 材料的成分设计

2.2 试验材料

2.3 材料制备

2.4 材料的成分测试

2.5 SEM微观组织观察及能谱分析

2.6 物理性能测试

2.7 常规力学性能测试

2.8 微屈服性能测试

2.9 热膨胀系数测试

3 短Cf/2024Sc复合材料组织和物理性能的研究

3.1 微观组织

3.2 密度及致密化程度

3.3 本章小结

4 短Cf/2024Sc复合材料力学性能的研究

4.1 分级时效对Cf/2024Sc复合材料力学性能的影响

4.2 碳纤维长度对3%Cf/2024Sc复合材料力学性能的影响

4.3 时效对短Cf/2024Sc复合材料拉伸断口形貌的影响

4.4 本章小结

5 时效对短Cf/2024Sc复合材料尺寸稳定性的影响

5.1 微屈服行为

5.2 时效对短Cf/2024Sc复合材料微屈服强度的影响。

5.3 时效对短Cf/2024Sc复合材料热膨胀系数的影响。

5.4 本章小结

6 结论

参考文献

个人简历

致谢