连续碳纤维增强铝基复合材料的界面结构
碳纤维增强铝基复合材料表面TiN离子镀膜工艺研究---优秀毕业论文参考文献可复制黏贴
硕士学位论文碳纤维增强铝基复合材料表面TiN离子镀膜工艺研究 STUDY OF TiN FILM DEPOSITED BY ARC ION PLATING ON THE SURFACE OFALUMINUM MATRIX COMPOSITESREINFORCED WITH CARBON FIBERS马志鹏哈尔滨工业大学2006年6月国内图书分类号：TG174.444国际图书分类号：621.785工学硕士学位论文碳纤维增强铝基复合材料表面TiN离子镀膜工艺研究硕士研究生：马志鹏导师：孙东立 教授申 请 学 位：工学硕士学科、专业：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2006年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TG174.444U.D.C.: 621.785Dissertation for the Master’s Degree in EngineeringSTUDY OF TiN FILM DEPOSITED BY ARC ION PLATING ON THE SURFACE OF ALUMINUM MATRIX COMPOSITES REINFORCED WITH CARBON FIBERSCandidate：Ma ZhipengSupervisor：Prof. Sun DongliAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Specialty：Materials ScienceAffiliation：School of Materials Scienceand EngineeringDate of Defence：June, 2006Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本文采用多弧离子镀技术在碳纤维增强铝基复合材料表面制备TiN 膜，通过对影响镀膜过程的重要因素:负偏压、氮气流量、弧电流、沉积时间等的研究，得出其对镀膜厚度和性能影响的规律，实验证明，靶电流55A、负偏压200V、氮气流量350ml/min、沉积时间60min时TiN薄膜具有最佳的综合性能。
短碳纤维增强铝基复合材料的制备及其性能研究
短碳纤维增强铝基复合材料的制备及其性能研究一、内容描述短碳纤维增强铝基复合材料（Short Carbon Fiber Reforced Aluminum Matrix Composite, SCFRA）作为一种先进的复合材料，凭借其轻质、高强、高刚度、良好的耐腐蚀性等优异性能，成为了现代材料科学领域的研究热点。
本文将围绕SCFRA的制备及其性能展开深入探讨。
在制备方面，本文首先介绍了短碳纤维（Short Carbon Fiber, SCF）的基本特性和常用的制备方法。
SCF具有高强度、低密度、良好的热导性和电导性等特性，因此在众多工业领域如航空航天、汽车制造、建筑工程等得到了广泛应用。
文章详细阐述了铝基复合材料（Aluminum Matrix Composite, AMC）的组成、分类及制备工艺。
铝基复合材料以铝合金为基体，通过填充其他材料如陶瓷颗粒、碳纤维、塑料等，可以显著提高其力学性能、耐磨性、耐高温性等。
结合SCF和AMC的特点，本文提出了一种新型的短碳纤维增强铝基复合材料，旨在充分发挥两者优势，实现高性能化。
通过优化SCF 与AMC的配比、制备工艺和微观结构调控，有望获得具有更高比强度、更高比刚度、良好耐磨性和耐腐蚀性的复合材料。
在性能研究方面，本文首先分析了SCFRA的基本力学性能，如拉伸强度、弯曲强度、压缩强度等。
实验结果表明，SCFRA的力学性能明显优于相同成分的铝合金，显示出短碳纤维对铝基体的增强作用。
本文还探讨了SCFRA的热稳定性、耐磨损性、耐蚀性等性能，并与铝合金和碳纤维增强铝基复合材料进行了对比分析。
研究结果显示，SCFRA在高温下仍能保持较高的力学性能和热稳定性，同时具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
针对SCFRA在实际应用中可能遇到的问题，如界面结合强度低、复合材料易氧化等，本文也提出了相应的解决方案。
通过优化表面处理工艺、控制SCF与AMC的界面相容性等手段，可以提高SCFRA的整体性能。
碳纤维复合材料的表界面
复合材料界面的控制
❖ 复合材料界面的控制是通过界面粘合状态、界面层特性的调 整及控制以使复合材料达到最佳的综合(如强度、韧性等方面) 性能。 ❖ 孤立地将界面认为是零厚度的二维面，仅考虑该面两侧的粘 接问题是远远不够的。 ❖ 界面是具有一定厚度的、存在于增强纤维与树脂基体之间的 过渡区。 ❖ 探讨界面层所需的性能，调整界面相结构，来控制复合材料 的性能。
structure and property characters of the interlayer
A. 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样 界面区至少包括： 基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分；
B. 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向 变化而变化，具有“梯度”材料性能特征；
碳纤维非氧化处理：主要用于C/C复合、CMC、MMC复合体系。
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碳纤维表面的含氧官能团的数量起着决定性作用， 数量越多结合力越强。碳纤维表面含氧官能团主要有羧 基、羟基和羰基等。
碳纤维表面官能团与树脂之间相互作用示意图
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臭氧氧化法
臭氧氧化法： 碳纤维表面的不饱和状态的碳原子进行氧化，使 其生成含氧官能团。
9
界面残余应力
1）热残余应力 热膨胀系数的不同、环境温度的变化是多组分材料存在热残余
应力的根本原因。 高性能树脂基复合材料多半高温固化成型，成型温度与使用温
度有很大差别；增强纤维与基体间热膨胀系数也存在很大差异。 2）固化残余应力 环氧、酚醛、不饱和聚酯、聚酰亚胺等树脂，在固化过程中都
伴随着体积收缩。 纤维具有较高模量，树脂基体的固化收缩会在材料内部形成很
碳纤维电化学表面处理前后XPS表面化学分析结果
碳纤维增强铝复合材料的界面微观结构
碳纤维增强铝复合材料的界面微观结构
碳纤维增强铝复合材料是由铝基体与碳纤维层层组装而成的材料，拥有良好的力学性能和耐热性，已广泛应用于航空航天、船舶、化工及汽车工业等领域。
其成功应用的关键瓶颈之一就是确定碳纤维和铝基体之间界面结构，了解界面微观结构，从而深入了解界面特性。
一般情况下，碳纤维和铝基体之间的界面结构主要包括：碳纤维表面的平整度、铝基体表面的清洁度、碳纤维和铝基体表面的强度、碳纤维与铝基体的刚度和弹性模量、以及界面接触微观结构等。
考察碳纤维和铝基体之间界面微观结构的研究主要依赖于X射线衍射、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术，采用这些技术可以确定聚合物/金属界面的化学组成、界面结构、界面分布状态和界面结合强度等物理指标。
X射线衍射可以直接用于定量学的结构性研究，可以提供有关界面粗糙度，界面膜层厚度、碳纤维和金属之间杂质聚集以及金属表面形貌等方面的关键参数。
SEM可以用于界面形貌图却，以及表面摩擦、应力和本构参数的分析。
另外，AFM可以用于表面粗糙度测量以及三维界面观察，它还可以很好地探索金属表面化学形态和力学特性间的联系。
通过以上技术，可以对碳纤维和铝基体之间的界面微观结构进行综合研究，可以解释其界面特性及加工参数的工艺可控性，从而提高碳纤维增强铝复合材料的抗疲劳性能。
碳纤维增强铝基复合材料
小小的便签 不一样的感觉
谢谢
1）第一类——有利于基体与增强体浸润、复合形成最佳界面结合。 2）第二类——有界面反应，增强体虽有损伤但性能不下降。 3）第三类——严重界面反应，造成增强体严重损伤和基体成分改变。
1）增强表面改性 2）基体合金化 3）优化制备工艺参数
Cf/Al复合材料制备方法
碳纤维增强铝基复合材料制备方法有三种：
基复合材料
——材料124胡建平
目录
应用背景介绍 结构及性能特点
主要制备方法
发展趋势分析
Cf/Al应用背景介绍
铝为面心立方结构，具有良好的塑性和韧性，加之铝具有良好的易加工性、 工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程应用创造了有利条件，它是金属基复 合材料中应用最广的一种。在制造铝基复合材料时通常不使用纯铝，而是各种铝 合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能，至于选择何种铝 合金作为基体则往往根据实际对复合材料的性能要求而定。碳纤维增强铝基复合 材料，因其具有高比强度和比刚度，低热膨胀、良好的尺寸稳定性等优异的性能 ，备受航空航天部门的关注。在汽车工业中，用铝和铝合金基复合材料代替钢铁 的前景被人们普遍看好可望起到节约能源的作用。
Cf/Al复合材料结构及性能特点
金属基复合材料制备是在高温下进行的，基体与增强体的界面反应（溶解、 扩散元素偏析等）在所难免。界面对于复合材料的性能影响十分重要，因为界面 对于残余应力分布、断裂过程有重要影响。 界面反应: 1）促进增强体与界面的浸润 2）产生界面反应物——脆性相 3）造成增强体损伤和基体成分的改变
，然后将这些中间原料重叠起来，在真空中加热，可得纤维 增强金属。该方法利用了金属的塑性变形和自身扩散作用， 可得质量较好的碳纤维增强铝合金复合材料。
碳纤维增强铝基复合材料
检验抗氧化处理
抗氧化机理:外表包覆H3BO3的C/Cu复合丝在加入到铝 液的过程中,首先是H3BO3与O2接触,当温度较高时, H3BO3分解成熔融态的B2O3包覆在复合丝表面保护Cu 不被氧化。
XRD实验验证
结果：由图可知，复合材料中除了基体铝外,还出 现了Cu-Al合金相,但未检测到CuO、Al2O3、Cu的 存在,说明铜与铝发生了反应，生成了合金， H3BO3确实起到了保护作用,大大降低了铜的氧化
−
σ c = V f σ f F (lcr / l)C0 + (1 − V f )σ m
小结： 1）在硼酸存在下,大大降低了铜的氧化程度,碳纤维
分散均匀且没有损伤； 2）少量硼酸的加入,对基体的力学性能没有影响； 3）该复合材料的抗拉强度随碳纤维含量的增加而增 加,其抗拉强度较基体材料提高50%以上,但塑性却明
经过化学镀与电镀后碳纤维表面形貌
是复合 镀哦！
C/Al复合材料制备过程中防氧化处理
由于C/Al复合材料的制备是在700℃的高温条件下进行的,C/Cu复合 丝上的铜镀层在加入铝液中的瞬间就会被氧化成黑色的CuO。
2Cu+O2——2CuO 而CuO与Al不润湿,且与碳纤维结合力变差,因而,碳纤维在铝液中的分 散性和均匀性变差,根本得不到合格的C/Al复合材料.所以,必须对C/Cu 复合丝进行防氧化处理:将制备好的短C/Cu复合丝放入1.0%~1.5%的 硼酸水溶液中浸泡1 min,取出,于真空干燥箱中烘干,使其外表面包覆 一层硼酸.
即在我看来，抗氧化处理成了决定此次试验复合材料力学性能的一个重要 因素。
铝基复合材料的制备
主要制备方法有：液态法、固态法。 而C/Al复合材料制备方法主要是液态法：液态搅拌法（不连续纤维）、 液态挤压铸造法（连续纤维）等等。
连续碳纤维增强铝基复合材料的界面结构
连续碳纤维增强铝基复合材料的界面结构作者：邙晓斌来源：《中国科技纵横》2015年第13期【摘要】碳纤维增强铝基（Cf /Al）复合材料的界面结构一直是影响复合材料性能的关键因素，也是研究的重点。
本文采用挤压铸造法制备了连续碳纤维增强铝基复合材料，并着重研究了合金基体对复合材料界面的影响。
基体材料为Al-Cu合金，增强纤维为T-300连续碳纤维。
研究表明挤压铸造后铝合金均匀、致密地填充在增强纤维之间，试验结果中最显著的发现是铝合金固化后的微观结构受到碳纤维的影响，Al2Cu相以碳纤维表面作为形核位置优先在增强纤维和合金基体的界面形成，而基体内部共晶相的形成受到抑制。
镀Ni碳纤维增强的Al基复合材料中也发现了相同的情况。
【关键词】连续碳纤维挤压铸造铝合金复合材料界面结构连续纤维增强铝基复合材料（Cf /Al）具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优越特性，受到军用、民用及一般工业领域的广泛关注[1，2]。
同时，这些优越的特性使得Cf /Al可以作为潜在的结构材料和功能材料，进一步扩大其在汽车和航空、航天等高端领域应用[3，4]。
目前碳纤维增强金属基复合材料的制备方法主要有热压渗透，挤压铸造，金属溅射等工艺[5，6，7]。
然而，Cf /Al复合材料的发展一直受到碳纤维表面润湿性差、易于同某些铝合金发生反应等因素的限制[8]。
在制备或使用过程中如果碳纤维不能完全被金属基体浸润或碳纤维同金属基体间产生过度的化学反应等均会降低复合材料的力学性能。
液态方法制备Cf /Al复合材料的过程中，碳纤维-铝基体界面的反应是影响Cf /Al强度的关键因素[9]，也是很多研究关注的重点[10]，因为界面是影响载荷在基体和纤维之间传递的关键因素，尤其是Al4C3脆性相的形成会直接影响碳纤维的强度。
但是，与其他成型方法相比，液态成型法有其特有的优势，如生产率高，成本低，可以生产复杂结构产品等。
尽管关于Cf /Al复合材料的报道很多，但多数集中在短纤维作为增强相的研究[11]，即使连续碳纤维增强铝基复合材料的研究也主要关注材料的制备，力学性能，断裂行为等[12，13]，却很少有研究关注合金基体对复合材料性能的影响。
复合材料课后练习题-西科大(2014-2015-2)
课后练习题一、填空题1.写出层合板的铺设顺序： [(0/±45)2/0/90]S = 0/+45/-45/0/+45/-45/0/90/90/0/-45/+45/0/-45/+45/02.C/C 复合材料中的基体碳可以是石墨、焦炭和烧结炭。
3.按基体材料分类，复合材料可分为聚合物基体、金属基体、无机非金属基体。
4.按增强纤维种类分，复合材料可分为玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维复合材料等。
5.表面处理剂处理玻璃纤维的主要方法有前处理法、后处理法、迁移法。
6.玻璃/环氧复合材料的基体材料是环氧树脂。
7.玻璃钢是以环氧树脂为基体，玻璃纤维做增强体的复合材料。
8.玻璃纤维 40 支纱表示：质量为1g的原纱长40m9.玻璃纤维的生产中需使用浸润剂，其作用有：使多根单丝集中成股；增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度；保护纤维免受大气和水分的侵蚀。
10.玻璃纤维增强树脂基复合材料又称玻璃钢。
11.单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，称为捻度。
12.电热混凝土是由胶凝材料、导电材料、介电骨料和水等组分，按照一定配合比混合凝结而成的多相复合材料，通电后能发热。
13.非线性效应可为乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应。
14.复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体材料；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，称为增强材料。
15.复合材料的界面不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域。
16.复合材料的界面效应有传递效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应和诱导效应。
17.根据复合材料的命名规则，玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料可称为玻璃纤维/环氧树脂（玻璃纤维/环氧）复合材料。
18.复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能特征。
19.复合材料区别于传统的“混合材料”和“化合材料”的两大特征是多相体系和复合效果。
其最大的特点是可设计性好。
材料表面与界面-第四章-复合材料的界面及界面优化
复合材料的增强机制及性能
1. 纤维增强复合材料的增强机制
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要
碳
承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 纤
维
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性）
1240
环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380
环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100
纵向弹性模 量 GPa
6.9
45
145 76
210-280
聚合物基纤维增强复合材料零件
碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空 发动机高温构件
芳纶刹车片
3. 纤维--金属(或合金)复合材料
1电子显微镜观测法基材表面形貌分析尤其是经表面处理的基材未处理碳纤维的表面形态低温等离子处理碳纤维表面形态增强体材料表面形貌分析氧等离子处理后经80与苯乙烯反应4小时接枝聚苯乙烯分子链的碳纤维照片复合材料的断面形貌分析碳铝复合材料不同界面结合时的强度与断口特征结合状态拉伸强度mpa断口形貌不良结合206纤维大量拔出长度很大呈刷子状结合适中612纤维有拔出现象并有一定长度铝基体有缩颈现象并可发现劈裂状结合稍强470出现不规则断面并可看到很短的拔出纤维结合太强224典型脆断形式平断口2红外光谱与拉曼光谱波长为25m区间的波谱称为红外光谱它是分子键的振动光谱
Al2O3片
(2) 粒子增强复合材料
(3)叠层复合材料。
Al2O3纤维
三、复合材料的命名
（1）以基体为主来命名 例如金属基复合材料。 （2）以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。 （3）基体与增强相并用 如“C/Al复合材料”即
碳纤维增强铝基复合材料的微观组织结构与高温力学性能
摘要C f/Al复合材料密度低，比强度和比刚度高，是制作空间飞行器的主要备选材料。
高温环境和热循环环境是这些飞行器在使用过程中将要面临的主要工作环境。
尽管C f/Al复合材料在室温下具有优异的力学性能，但在高温下金属基体的软化温度较低会导致复合材料的过早失效。
因此，为了提高飞行器的使用可靠性，提高C f/Al复合材料的高温强度是需要解决的关键问题。
此外，由于碳纤维和铝基体之间存在较大的热膨胀系数不匹配，在热循环过程中复合材料的界面不可避免的会出现损伤，因此热循环后C f/Al复合材料力学性能的保有率和尺寸的稳定与否也是其在使用前需要考察的重要指标。
本文通过压力浸渗法制备了基体合金成分不同的3种C f/Al复合材料。
微观组织观察表明，C f/pure Al复合材料和C f/Al-Mg复合材料的主要界面相分别是Al4C3和Al58Mg42。
在C f/Al-Fe-Mg-Si复合材料中发现了一种新型富Fe的多元析出相，通过TEM衍射斑点标定和XRD确定了这种新相的晶体结构为体心立方结构，晶格常数为1.39 nm。
通过Chou模型将Miedema二元热力学模型推广到四元，并对Al-Fe-Mg-Si四元合金中可能析出的几种第二相的反应Gibbs 自由能进行了计算，表明C f/Al-Fe-Mg-Si复合材料中富Fe多元相的形成满足热力学条件。
研究了微观组织结构对C f/Al复合材料室温及高温力学性能的影响。
结果表明，随着基体合金中Mg元素含量的增加，复合材料界面生成的Al4C3数量减少，尺寸减小，复合材料的室温抗弯强度升高。
然而，由于AlMg二元相高温稳定性差，导致C f/Al-Mg复合材料300℃时的抗弯强度仅为室温时的70%左右。
富Fe多元相对位错运动有较强的阻碍作用，并具有良好的高温结构稳定性，因此C f/Al-Fe-Mg-Si复合材料在400℃时仍能保持882 MPa的抗弯强度。
研究了400℃热暴露对C f/Al-Fe-Mg-Si复合材料力学性能的影响规律。
复合材料学(第二章 复合材料的基体材料) (2)
是主要承载物，基体的强度对非连续增强金 属基复合材料具有决定性的影响。因此要获 得高性能的金属基复合材料必须选用高强度 的铝合金为基体，这与连续纤维增强金属基 复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强 铝基复合材料一般选用高强度的铝合金为基 体。
用于电子封装的金属基复合材料有：高碳 化 硅 颗 粒 含 量 的 铝 基 (SiCp/A1) 、 铜 基 (SiCp/Cu)复合材料，高模、超高模石墨纤维 增强铝基(Gr/Al)、铜基(Gr/Cu)复合材料， 金刚石颗粒或多晶金刚石纤维铝、铜复合材 料，硼／铝复合材料等， 其基体主要是纯铝
和纯铜。
1、用于450℃以下的轻金属基体
目前研究发展最成熟、应用最广泛的金属 基复合材料是铝基和镁基复合材料， 用于航
天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零 件、刹车盘等，并已形成工业规模生产。对 于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁 合金基体。连续纤维增强金属基复合材料一 般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金， 而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具 有高强度的铝合金。
用于耐磨零部件的金属基复合材料有：碳 化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增 强铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料， 所用金属基体主要是常用的铝、镁、锌、铜、 铅等金属及合金。
用于集电和电触头的金属基复合材料有： 碳(石墨)纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、 铜、银及合金等。
功能用金属基复合材料所用的金属基体均 具有良好的导热、导电性和良好的力学性能， 但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。
飞机和人造卫星构件上应用，取得了巨大的 成功。
基体材料是金属基复合材料的主要组成， 起着固结增强物、传递和承受各种载荷(力、 热、电)的作用。基体在复合材料中占有很大 的体积百分数。在连续纤维增强金属基复合 材 料 中 基 体 约 占 50%-70% 的 体 积 ， 一 般 占 60%左右最佳。颗粒增强金属基复合材料中 根据不同的性能要求，基体含量可在90% ～ 25%范围内变化。多数颗粒增强金属基复合 材料的基体约占80%～90%。而晶须、短纤 维增强金属基复合材料基体含量在70%以上，
碳纤维表面处理及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究
碳纤维表面处理及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究摘要：碳纤维（CF）增强树脂基复合材料（CFRP）是先进复合材料的典型代表，具有密度小、力学性能优异、耐热、耐低温等优点，在航空航天、军事、汽车、体育等领域具有重要的应用前景，但是碳纤维表面光滑呈惰性，与树脂基体的界面粘结性差，限制了CFRP复合材料性能的发挥。
针对这一问题，本文采用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合材料的增强相和树脂基体，展开CF的表面处理及其CFRP复合材料界面性能的研究。
本文采用氨水处理和浓HNO3处理碳纤维表面，通过单丝拔出实验测试复合材料的界面结合强度来表征复合材料的界面粘结性能，并分析了机械锚定和化学键合两种作用共同出现并对复合材料界面性能起改善作用时，两个因素之间的关系，以及起主导作用的因素，对碳纤维与树脂间相容性机理的研究具有知道作用。
关键词：碳纤维；环氧树脂；复合材料；表面处理；界面性能1、引言1.1碳纤维概述碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，是一种高性能的先进非金属材料。
根据原料不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）系碳纤维、沥青系碳纤维、黏胶系碳纤维、人造丝系碳纤维等。
其中聚丙烯腈基碳纤维综合性能最好，产量占碳纤维总产量的90％以上。
由于原料及制法不同，所得碳纤维的性能也不一样。
根据力学性能的不同，碳纤维可分为超高强度碳纤维（UHS）、高强度碳纤维（HS）、超高模量碳纤维（UHM）、高模量碳纤维（HM）、中等模量碳纤维（MM）、普通碳纤维等等。
我国对碳纤维的研究始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。
目前，利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水品。
但是与国际水平相比，国产碳纤维强度低、平均稳定性差、毛丝多、品种单一且价格昂贵，而且国内碳纤维总生产能力较小，不能满足国内的需要，仍需大量进口。
这些都严重影响了我国高新技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济发展进程不相称。
碳纤维增强铝基复合材料
4 制造工艺
碳纤维增强铝合金的制造方法有三种，分别是固相法、粉末冶金法 和挤压铸造法。
①粉末冶金法
粉末冶金法是预先将短纤维与基体粉末制成淤浆状并加以混合, 而后 经成型干燥热压,制成纤维增强金属。
②扩散结合, 热压法( 固相法) 在扩散结合法中, 通过纤维前处理首先制作中间原料,然后
将这些中间原料重叠起来, 在真空中加热, 可得纤维增强金属, 该方法利用了金属的塑性变形和自身扩散作用, 可得质量较好 的碳纤维增强铝合金复合材料。
3 性能--尺寸稳定性
上图为用冷热冲击法对Cf/Al进行检测后的试验结果，可以看出：
随着冷热循环次数的增加，尺寸变化趋于恒值，说明Cf/Al复合材料 具有优异的尺寸稳定性。ຫໍສະໝຸດ 3 性能--空间环境耐候性
若Cf/Al复合材料应用在航空航天领域，那复合材料无可避免的要 在空间飞行中经受如超高真空度、高低温交变冲击、带电粒子照、紫 外辐照等环境的损伤，开展空间环境条件对复合材料性能影响的分析 对航天结构设计，充分发挥复合材料的优异性能具有十分重要的现实 意义。
左图列出了Cf/Al复合材料与其他 传统材料的比强度和比模量的对比。 可见， Cf/Al的比强度最高，是钢的6 倍，为钛合金和铝合金的3～3．5倍。 比模量是钢、铝合金和钛合金的3倍 以上，而与其它复合材料相比也要高 出1倍以上。Cf/Al复合材料这种优异 的轻质高强的材料特性为航天结构轻 量化、高精度提供重要的 技术保障。
4 制造工艺
挤压铸造装置图
③挤压铸造 挤压铸造, 将纤维的预成型体
放入金属模中, 适当加热, 加压 浸入熔化的基体金属, 在高压下 令其凝固, 从而得到形状复杂的 复合材料, 此法周期短, 能制造 纤维增强金属的机械零件, 生产 效率很高。在此法中, 金属熔化, 如温度条件选择不妥, 熔化的基 体金属有时会损伤纤维。
碳纤维增强铝基复合材料
应用领域
航空航天
用于制造飞机和航天器 的结构件，以减轻重量
并提高结构强度。
汽车工业
用于制造汽车车身、底 盘和零部件，提高汽车
性能和燃油经济性。
体育器材
用于制造轻量化、高强 度的运动器材，如自行 车架、高尔夫球杆等。
电子产品
用于制造轻薄、强度高 的电子设备外壳和内部
支撑结构。
碳纤维增强铝基复合
02
汽车工业领域
节能减排需求
降低生产成本
随着环保意识的提高，汽车工业领域对节 能减排的需求日益迫切，碳纤维增强铝基 复合材料具有轻量化和节能的特点。
通过采用碳纤维增强铝基复合材料， 可以简化生产流程，降低生产成本。
提高车辆性能
采用碳纤维增强铝基复合材料可以提 升汽车的结构性能和舒适性，提高车 辆的操控性和安全性。
良好的耐腐蚀性
碳纤维增强铝基复合材料具有良好的耐腐蚀性，能够抵抗大气、水和酸的侵蚀。 由于铝基体本身具有一定的耐腐蚀性，加上碳纤维对铝基体的保护作用，该材料 的耐腐蚀性能得到进一步提高。
在腐蚀环境下，碳纤维增强铝基复合材料的表面形成一层致密的氧化膜，能够有 效阻止腐蚀介质侵入材料内部。此外，该材料还具有较强的抗疲劳性能和抗应力 腐蚀能力，能够长期保持性能稳定。
在浸渗过程中，铝液会与碳纤 维发生反应，形成碳纤维增强 铝基复合材料。
该方法适用于制备大型和复杂 的构件，但需要严格控制浸渗 温度和时间。
喷射沉积法
将铝液和碳纤维通过高速喷射的方式同时喷入到沉积室内，在沉积室内形成复合材 料。
喷射沉积法可以制备出具有优良性能的碳纤维增强铝基复合材料，且生产效率高。
THANKS.
的要求。
其他领域
建筑领域
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断 口形貌 明显 不同于基体合金 ， 脆性 断裂 占比增大。 同时从断 口形 貌可 以发现 ， 由于没有ＡＩ ４ Ｃ 脆性相的形成， 纤维和基体 的界面结合 良好 ， 这 为复合 材料 力学性 能的提高提供 了有力保 障 。 从 以上试验结果发现 ， 碳纤维的引入 明显改变了基体铝合金的 微观 结 构 。 纤 维 周 围基 体 中共 晶相 的 形成 受 到 了 抑 制 或 消 除 。 无论 纤维表面是否进行 了镀Ｎｉ 处理 ， ， ｃ 啪 均围绕纤维四周形成， 这表 明在 固化过程 中， 纤维表面为Ａ ｌ ’ ｃ ｕ 相提供了形核条件 。 类似的现象 也在其他的碳纤维增强铝基复合材料 中发现［ ９ ． 。 基于以上实验结 果可 【 发现 ， 从复合材料界面 和性 能的角度考 虑 ， 控制基体合金的 组分及其相结 构也很 关键 。 ３结 语 通过对挤压铸造制备的碳纤维增强铝基复合材料 的研究表明， 通过合理 的控制挤压铸造工艺参数 ， 可 以控制脆性界面想 Ｃ 的 形成 。 碳纤维表面为Ａｌ ， Ｃ ｕ 相的形成提供了形核条件 ， 同时 ， 碳纤维 的引入使基体 合金中典型的Ａ Ｉ －Ｃ ｕ 共晶相 的形成得 到了控制或消 除。 碳纤维表面镀Ｎｉ 处理 后并不影响这 一结 果 ， 但镍层的存在 导致 ＴＮ ｉ 同铝溶 液的反应生成 Ｎ ｉ Ａ１ ， 相。
Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｏｖ ｅ ｒ ｖ ｉ ｅ ｗ 工 艺 设 计 改 造 及 检 测 检 修
２结果 及 讨 论
图２ ａ 所示为铝合金基体的微观结构 ， 深入观察发现 晶粒 比较 粗 大（ 约１ ０ ０ － ３ ０ ０ Ｉ ． ｔ ｍ） 同时伴 随有共 晶结 构（ 灰 白色相） 存在。 Ｅ Ｄ Ｓ 分 析表 明灰 白色相为Ａ１ Ｃ ｕ （ Ａ １ ： Ｃ ｕ ＝ ６ ７ ． ３ ： ３ ２ ． ７ ） ， 这一结论 同ＸＲＤ 分 析 结果相 吻合 （ 图２ ｂ ） ， 即合 金基体 由Ａｌ 和Ａｌ ， Ｃ ｕ 相组成 ， 即典型 的 Ａ １ 一 Ｃ ｕ 合金组 。 图３ ａ 所示为挤压铸造 Ｃ ／ Ａ ｌ 复合材料 的微 观结 构。 其中Ａ堪 体 呈现灰色 ， 纤维呈现黑色 。 Ｅ Ｄ Ｓ 分析 表明在碳纤维和 基体 之间的
Ｊ ］ ． 中国有色金属 学报， ２ ０ ０ ８ ． １ ８ （ ５ ） ： ８ ４ ０ — ８ ４ ４ ． 灰白相为Ａ ￣ Ｃ ｕ ， 这一结果同样得到了Ｘ Ｒ Ｄ 分析结果的确认（ 图３ ｂ ） ， 组织的影响［
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其 中在２ ６ 。 附近的较宽峰为ｃ。 之前 的研究 发现 ， Ａｌ － Ｃ ｕ 合金在 固化 过程 中， Ａ ｌ 在相对 较高的温度固化 ， 低熔点 的共 晶相在 晶粒之间 后 固化［ １ ， ・ ” 】 ， 而从本文 的研 究结果发现 ， Ｃ ｕ 相 优先在碳纤维表 面形成 ， 因此 ， 共晶结 构在纤维周围的基 体内部受到了抑制或消除。 同时 ， 在该样 品中没有发现Ａ １ Ｃ ， 脆性相的形成 。 图３ ｃ Ｅ 斤 示为挤压铸造 的镀Ｎ蛾 纤 维增 强铝基复合材料 的微观 结构 。 Ｎｉ （ 白色相） 围绕纤 维（ 黑色椭圆截面） 周 围析 出， 而Ａ ｌ １ Ｃ ｕ 相（ 灰 白色相） 则 围绕在Ｎｉ 的周 围。 有趣 的是镀Ｎｉ 和未镀Ｎｉ 处理 的碳纤维 制得 的复合材料具有相似的微观结构 ， 即Ａｌ １ Ｃ ｕ 相 围绕纤维四周形 成， 基体 内部共 晶结构受 到抑制 或消 除。 Ｅ Ｄ Ｓ线扫描表 明了Ｎｉ 和 Ｃ ， ／ Ａ１ 复合材料 中Ｍ 层和 溶液在 固化 时发 生反应生成 了Ｎｉ Ａｌ ￣ 相 （ 图３ ｄ ） 。 同样 ， 在镀Ｎｉ 的Ｃ ／ Ａ１ 复 合材料 中同样没有 发现形成Ａ１ Ｃ ， 相， 纤维和 之间的反应得到 了保护 。 图４ ａ为Ａｌ 合金基体 的拉伸试验 断 口形貌 ， 其主要特 征表 现为 大量截面不平整的韧窝和少量光滑断面 ， 这说 明基体材料拉伸破坏
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