不同長(zhǎng)度短碳纖維增強(qiáng)2024Sc鋁基復(fù)合材料組織及性能研究.pdf

1、本文采用傳統(tǒng)的熔煉鑄造法制備了2024Sc鋁合金，并采用液態(tài)攪拌鑄造法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％長(zhǎng)度分別為2mm、3mm、4mm、5mm短碳纖維增強(qiáng)2024Sc鋁基復(fù)合材料。用化學(xué)鍍銅的方法處理碳纖維，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察材料的微觀組織和拉伸斷口形貌，采用EDS分析材料的微觀組織中第二相成分，利用阿基米德原理，對(duì)材料的密度、致密化程度進(jìn)行分析，通過(guò)室溫拉伸試驗(yàn)、加載-卸載試驗(yàn)測(cè)量了五種材料雙級(jí)時(shí)效下的常規(guī)力學(xué)性能和微屈服性能，采用熱

2、膨脹儀測(cè)量材料的熱膨脹系數(shù)。結(jié)果表明：
　　（1）鑄態(tài)的2024Sc鋁合金，由于非平衡凝固時(shí)發(fā)生偏析，微觀組織中有白色連續(xù)網(wǎng)狀的第二相和深灰色α-Al基體組成，在Cf增強(qiáng)復(fù)合材料中觀察到碳纖維均勻分布在界面上，發(fā)生了輕微的界面反應(yīng)。經(jīng)過(guò)均勻化處理后，連續(xù)白色網(wǎng)狀第二相變成不連續(xù)狀，Zr、Sc部分溶解到基體中，部分以Sc、Zr化合物的形式存在。經(jīng)過(guò)擠壓后，第二相晶粒被拉長(zhǎng)且沿著晶界分布，碳纖維由亂序排列變成沿著擠壓方向分布。

3、　?。?）研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的理論密度和實(shí)際密度均小于2024Sc鋁合金，鑄態(tài)時(shí)的密度均小于擠壓后的密度。隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加，復(fù)合材料的鑄態(tài)密度先增加后降低，經(jīng)過(guò)擠壓后復(fù)合材料的密度之間沒(méi)有明顯差異，但是，復(fù)合材料孔隙率明顯降低，孔隙率分別降低了71.3%、59.4%、80.2%和80%。且隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加，復(fù)合材料的致密化程度越來(lái)越高，改善了材料的力學(xué)性能。
　?。?）經(jīng)過(guò)495℃/2h固溶，130℃/3h+200℃/（5

4、h、10h、15h）雙級(jí)時(shí)效處理后，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度小于5mm時(shí)，同種材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量均是先升高后降低，終級(jí)時(shí)效10h時(shí)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量最大分別為472MPa、411MPa、87GPa；當(dāng)長(zhǎng)度為5mm時(shí)，峰時(shí)效時(shí)間提前至5h，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到494MPa、419MPa；當(dāng)鋁合金中添加碳纖維后，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均下降，但是材料的彈性模量明顯提高，最高為90GPa；復(fù)合

5、材料經(jīng)過(guò)拉伸后，通過(guò)觀察斷口形貌發(fā)現(xiàn)，碳纖維一般被拔出（提前失效）或拔斷。
　　（4）研究發(fā)現(xiàn)，微屈服階段時(shí)效硬化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于屈服階段的時(shí)效硬化率，經(jīng)過(guò)495℃/2h固溶，130℃/3h+200℃/10h雙級(jí)時(shí)效處理后，材料的微屈服達(dá)到最大值。隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加，Cf增強(qiáng)復(fù)合材料的微屈服強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度為4mm，復(fù)合材料的微屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值為304MPa。隨著碳纖維的加入，降低了Cf增強(qiáng)復(fù)合材料的微屈服強(qiáng)度。