碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料界面行為的研究項(xiàng)目摘要

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、軍事和汽車工業(yè)等領(lǐng)域。碳纖維與鋁基體的界面結(jié)合問題是碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備過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)合材料為研究對象，研究碳纖維布與鋁基體凝固過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、壓力場及表面處理對界面行為的影響機(jī)制，研究固態(tài)變形過程中界面結(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)和動力學(xué)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，解決鋁熔體對碳纖維布的浸滲問題，并實(shí)現(xiàn)控制碳纖維與鋁基體的結(jié)合反應(yīng)過程，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)。

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)合材料為研究對象，研究碳纖維與基體結(jié)合過程中的界面反應(yīng)行為，以及凝固過程中鍍層工藝和外場對界面行為的影響，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。通過調(diào)控外加壓力和金屬流動性，實(shí)現(xiàn)了鋁熔體對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)合過程中引入脈沖磁場，實(shí)現(xiàn)了金屬熔體對編織布的滲浸過程由逐層滲浸方式向梯度同步滲浸方式轉(zhuǎn)變。電磁場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)間延長至 120min以上，鍍層的含磷量降低至9wt.%。并通過開發(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。

鋼水的潔凈化對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。鋼中夾雜物去除過程主要由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，分別為夾雜物的長大、上浮和分離。但是目前的研究對于夾雜物的去除僅局限在前兩個(gè)環(huán)節(jié)，而實(shí)際過程中第三個(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)夾雜物去除過程的限制性環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目針對夾雜物去除的第三個(gè)環(huán)節(jié)展開研究，以鋼渣界面的不同類型夾雜物為研究對象，分別研究夾雜物在鋼渣界面的受力情況、潤濕性以及夾雜物在渣鋼界面的穿越過程、在渣層的融入過程和進(jìn)入渣層后的聚合行為。建立系統(tǒng)完整的動力學(xué)過程定量表征模型，獲得不同種類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)，獲得了橫觀各向同性材料中滿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。研究表明可以通過控制熱殘余應(yīng)力來設(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)中性夾雜的概念，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。對于簾線增強(qiáng)橡膠材料，等效桿的剛度只與橡膠材料模量相關(guān)，而與簾線無關(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)。建立了簾線增強(qiáng)橡膠材料三維非線性有限元分析模型，分析了簾線結(jié)構(gòu)對界面及復(fù)合材料性能的影響規(guī)律。利用簾線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)方法對簾線增強(qiáng)橡膠材料界面特性進(jìn)行了表征研究。結(jié)果表明，加載速率對簾線在橡膠基體中滑移特征有較明顯影響。結(jié)合XPS分析說明了尼龍簾線經(jīng)過偶聯(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。