连续碳纤维增强铝基复合材料的制备及性能研究

连续碳纤维增强铝基复合材料的制备及性能研究

连续碳纤维增强铝基复合材料具有高的比强度、比模量、热膨胀系数低、尺寸稳定性好等优异的力学性能及物理性能,在航空航天等多个领域显示出了巨大的潜力。本文主要研究了真空压力浸渗法制备连续碳纤维增强铝基复合材料以及制备CRALL复合板的工艺,为制备高性能连续碳纤维增强铝基复合材料提供依据。

采用真空压力浸渗法制备连续Cf/Al复合材料的参数为浸渗温度780℃,预制件预热温度600℃,浸渗压力为1.5MPa氮气压,浸渗结束后冲水快速冷却。当预制件预热温度较低时,不利于浸渗过程的进行,复合材料的致密度低;而预热温度过高时,界面反应严重,界面处有较多反应产物存在。

增大浸渗压力有利于浸渗过程的进行,从而提高材料致密度,减少复合材料中的空洞。采用溶胶-凝胶法制备的氧化铝涂层能够均匀覆盖于碳纤维表面,能对碳纤维起到良好的保护作用。

氧化铝涂层能够阻止碳纤维与铝熔体的界面反应,抑制界面反应产物Al4C3的生成,使得碳纤维与铝基体的界面较为纯净。同时,氧化铝涂层能够改善碳纤维与铝熔体的润湿性,使浸渗更加完全,所制备出的复合材料的抗拉强度也有明显提高。

连续Cf/Al复合材料轴向的热膨胀系数具有随着温度的升高而降低的特点,并低于10×10-6K-1(30℃-200℃),这大大低于铝合金基体的热膨胀系数,这一特性得益于碳纤维的负膨胀系数。因此连续Cf/Al复合材料表现出良好的尺寸稳定性。

实验制备的碳纤维体积分数为20.8%的CRALL复合层压板材料的抗拉强度可达1010MPa,已接近理论强度。随着固化压力的减小,CRALL的抗拉强度也随之下

降,通过对其微观组织进行观察,可以看出CRALL内部胶粘剂层增厚,碳纤维增强层出现了分层现象。

同时,铝板经过表面处理后可以增大其表面积,同时增强铝板与环氧树脂胶粘剂的界面结合,提高复合板的层间剪切强度,从而提高CRALL的拉伸性能。实验证明使用市售的碳纤维预浸料可以制备出性能优异的CRALL。