碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料界面行為的研究

碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的塑性和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是理想的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，有望應(yīng)用于航天航空、軍事和汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域。本項(xiàng)目以碳纖維編制布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究碳纖維與基體結(jié)合過(guò)程中的界面反應(yīng)行為，以及凝固過(guò)程中鍍層工藝和外場(chǎng)對(duì)界面行為的影響，為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法提供理論指導(dǎo)。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)三年研究，取得如下結(jié)果： 1、提出一種半固態(tài)鑄軋法制備碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝，利用壓力場(chǎng)促使鋁基體和碳纖維編織布的界面結(jié)合。借助模擬計(jì)算建立了溫度參數(shù)和塑性變形量間的關(guān)系，闡釋變形機(jī)制。通過(guò)調(diào)控外加壓力和金屬流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了鋁熔體對(duì)碳纖維布的完全滲進(jìn)。碳纖維編織布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材能夠在彎曲變形中提供良好的強(qiáng)化效果。 2、得到基體和纖維的滲進(jìn)規(guī)律，闡釋電磁誘導(dǎo)的滲浸轉(zhuǎn)變機(jī)制。在液態(tài)復(fù)合過(guò)程中引入脈沖磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了金屬熔體對(duì)編織布的滲浸過(guò)程由逐層滲浸方式向梯度同步滲浸方式轉(zhuǎn)變。電磁場(chǎng)引入的磁致壓力促進(jìn)增加熔體滲浸深度。以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了電磁鑄造法制備碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 3、設(shè)計(jì)針對(duì)平紋碳纖維編織布的表面鍍層新工藝。在傳統(tǒng)化學(xué)鍍層的工藝基礎(chǔ)上，優(yōu)化了一種針對(duì)于平紋碳纖維編織布特點(diǎn)的表面化學(xué)鍍鎳方法，將鍍液的穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)至 120min以上，鍍層的含磷量降低至9wt.%。并通過(guò)開(kāi)發(fā)新的氧化劑體系，設(shè)計(jì)了膠態(tài)鈀鍍液化學(xué)鍍鎳工藝和碳纖維表面接枝短鏈羧酸銅的工藝。不僅簡(jiǎn)化了原有的鍍層工藝，大幅降低了成本，更提升了鍍層的均勻性與穩(wěn)定性。

碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是一種重要的復(fù)合材料，因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的塑性和導(dǎo)熱性，被認(rèn)為是理想的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，可廣泛應(yīng)用于航天航空、軍事和汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域。碳纖維與鋁基體的界面結(jié)合問(wèn)題是碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備過(guò)程中最重要也是最難控制的環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目以碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究碳纖維布與鋁基體凝固過(guò)程及塑性變形階段的界面行為。利用同步輻射原位成像、數(shù)值模擬、高分辨透射電鏡等手段表征凝固過(guò)程中碳纖維與鋁基體的界面反應(yīng)、界面形貌及反應(yīng)產(chǎn)物，研究電磁場(chǎng)、壓力場(chǎng)及表面處理對(duì)界面行為的影響機(jī)制，研究固態(tài)變形過(guò)程中界面結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形機(jī)制。掌握碳纖維與鋁基體結(jié)合過(guò)程中界面的形成和演變規(guī)律，并深入闡釋界面形成的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，解決鋁熔體對(duì)碳纖維布的浸滲問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)控制碳纖維與鋁基體的結(jié)合反應(yīng)過(guò)程，為研究碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法提供理論指導(dǎo)。

鋼水的潔凈化對(duì)提高鋼材的性能具有重要意義，鋼水中夾雜物的有效去除是鋼水潔凈化的前提。鋼中夾雜物去除過(guò)程主要由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，分別為夾雜物的長(zhǎng)大、上浮和分離。但是目前的研究對(duì)于夾雜物的去除僅局限在前兩個(gè)環(huán)節(jié)，而實(shí)際過(guò)程中第三個(gè)環(huán)節(jié)分離作為夾雜物行為的最后一步，很多情況下是整個(gè)夾雜物去除過(guò)程的限制性環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目針對(duì)夾雜物去除的第三個(gè)環(huán)節(jié)展開(kāi)研究，以鋼渣界面的不同類(lèi)型夾雜物為研究對(duì)象，分別研究夾雜物在鋼渣界面的受力情況、潤(rùn)濕性以及夾雜物在渣鋼界面的穿越過(guò)程、在渣層的融入過(guò)程和進(jìn)入渣層后的聚合行為。建立系統(tǒng)完整的動(dòng)力學(xué)過(guò)程定量表征模型，獲得不同種類(lèi)夾雜物在渣鋼界面最小的去除時(shí)間，以及夾雜物形狀尺寸、鋼水溫度、渣層粘度等因素對(duì)其產(chǎn)生的影響規(guī)律，為進(jìn)一步有效去除鋼液中不同種類(lèi)的夾雜物提供新的思路，發(fā)展和完善純凈化冶煉的理論與方法。

簾線(xiàn)增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于輪胎及各種緩沖結(jié)構(gòu)中，更好地了解界面性能并進(jìn)行界面優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)改善制品性能具有重要意義。根據(jù)非理想界面條件，利用Kolosov常數(shù)，獲得了橫觀(guān)各向同性材料中滿(mǎn)足中性條件的界面參數(shù)。如果界面性能是按照一般不考慮熱殘余應(yīng)力設(shè)計(jì)，當(dāng)熱殘余應(yīng)力存在時(shí)，那么增強(qiáng)相就不再是中性的。研究表明可以通過(guò)控制熱殘余應(yīng)力來(lái)設(shè)計(jì)界面參數(shù)使增強(qiáng)相保持中性。在最近提出的等剛度桿結(jié)構(gòu)界面研究基礎(chǔ)上本研究發(fā)展了一種非等剛度桿構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)界面模型。根據(jù)中性?shī)A雜的概念，采用節(jié)點(diǎn)平均化的方法研究了界面剛度方法。研究表明，在等雙軸拉伸特殊載荷條件下所有桿是等剛度的。對(duì)于簾線(xiàn)增強(qiáng)橡膠材料，等效桿的剛度只與橡膠材料模量相關(guān)，而與簾線(xiàn)無(wú)關(guān)。與等剛度桿結(jié)構(gòu)界面相比，非等剛度桿構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)界面模型更適于表征多組分材料界面，而且更易于用于界面性能設(shè)計(jì)。建立了簾線(xiàn)增強(qiáng)橡膠材料三維非線(xiàn)性有限元分析模型，分析了簾線(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)界面及復(fù)合材料性能的影響規(guī)律。利用簾線(xiàn)H-拔出、掃描電鏡(SEM)分析和表面光電子能譜(XPS)分析等試驗(yàn)方法對(duì)簾線(xiàn)增強(qiáng)橡膠材料界面特性進(jìn)行了表征研究。結(jié)果表明，加載速率對(duì)簾線(xiàn)在橡膠基體中滑移特征有較明顯影響。結(jié)合XPS分析說(shuō)明了尼龍簾線(xiàn)經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理后可顯著提高界面粘接強(qiáng)度。本項(xiàng)研究豐富了橡膠復(fù)合材料界面性能研究。