碳纤维增强铝基复合材料
碳纤维加固铝基复合材料
碳纤维加固铝基复合材料
碳纤维增强铝基复合材料是一种高性能复合材料，具有很高的强度和刚度，同时具有轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优点，因此在航空航天、汽车制造、船舶等领域得到广泛应用。
碳纤维加固铝基复合材料的制备方法
制备碳纤维增强铝基复合材料的方法通常包括以下几个步骤：
1.预处理
在制备碳纤维增强铝基复合材料之前，首先需要对碳纤维和铝基材料进行表面处理，以增强它们的粘合性和兼容性。
2.浸渍
将铝基材料浸入含有粘结剂的溶液中，使其表面均匀涂覆一层粘结剂。
3.层叠
将处理后的碳纤维与浸渍过的铝基材料依次层叠在一起，形成复合材料的预制坯料。
4.热压
将预制坯料放入加热压机中，在一定的温度和压力条件下，对复合材料进行热压，使其形成最终的碳纤维增强铝基复合材料。
碳纤维加固铝基复合材料的性能
碳纤维增强铝基复合材料具有很高的比强度和比模量，具有优异的力学性能。
另外，这种复合材料还具有优秀的耐疲劳性能和耐腐蚀性能，在复杂的工作环境下也能保持稳定的性能。
碳纤维加固铝基复合材料的应用
碳纤维增强铝基复合材料广泛应用于航空航天领域，如飞机结构件、导弹壳体等；在汽车制造领域，用作车身结构件、制动系统等部件；同时在船舶制造领域也有着重要应用，如船体结构、推进系统等。
综上所述，碳纤维增强铝基复合材料具有很高的研究和应用价值，随着技术的不断进步，相信碳纤维加固铝基复合材料将在更多领域展现其优异性能，并得到更广泛的应用。
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
碳纤维布加固铝合金结构现状
碳纤维布加固铝合金结构现状如果把增强纤维材料与基体材料经过一些成型工艺而形成的复合材料叫做纖维增强复合材料（简称FRP），这些成型工艺主要有缠绕、模压或拉挤。
作为一种新型材料，具有高强、质轻、高弹模、耐腐蚀等优点。
FRP拥有的材料性能非常好，施工过程十分简单，使得FRP材料能满足现代结构的持续发展，所以它使用得越来越广泛，特别是在建筑，桥梁，隧道当中。
到目前为止，国内外进行了碳纤维布加固混凝土大量的理论研究分析和相关的实验研究，研究的成果已经相当成熟，我国已经出版了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（*****-2003）。
铝合金广泛地应用于工业中当中。
铝合金密度较低，强度比较高，与钢材相比，有的铝合金已经超越了优质钢，除此之外，铝合金的塑性性能也十分良好，因此可以根据需求，很容易的加工成其它种类的类型的型材。
虽然铝合金价格约为钢筋价格的9倍，但铝合金的密度只有钢筋的1/3，其实质成本大约为其3倍左右，加上其他方面的费用，铝合金结构还是有值得开发的价值。
一些铝合金可以进行热处理，细化晶粒，从而提高它的强度和耐腐蚀程度。
如果将铝合金放置在空气当中，它会跟空气当中的氧发生氧化反应，形成Al2O3，然而Al2O3是一种耐氧化的氧化物，从而阻止了内部铝被氧化，所以铝合金拥有防氧化性。
如果将铝通过其它特殊的氧化方法处理，在铝合金表面将形成一层坚硬的更厚的氧化膜，从而进一步提高铝的抗腐蚀性能。
经过这样处理的铝合金，其使用寿命可达60年以上。
铝合金材料应用于建筑空间结构已有四十多年的历史，在美国仅TEMCOR体系（铝合金穹顶圆盘盖板节点）就有6000余项工程。
在生活中铝合金结构越来越普遍，我国自上世纪80年代以来，铝合金材料广泛应用在建筑玻璃幕墙当中；近年来，在大型屋面系统领域，铝合金型材也已经开始代替钢结构和混凝土结构应用在主体结构构件当中。
我国对于铝合金材料的研究较晚，已经远落后于工程应用。
我国首座铝合金结构桥梁--杭州市庆春路中河人行天桥，于2021年7月建成，由外资公司承建，所有铝合金型材均从国外进口，主材为6082-T6铝合金，其主跨长度为39m，其余辅桥跨度从1525m不等。
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。
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。
碳纤维增强铝基复合材料
碳纤维增强铝界面设计
良好的界面结合能够很好的传递载荷，大大提高复合 材料的性能。未经表面改性处理的碳纤维在与金属基体 复合时，通常会在界面处生成一层脆性的碳化物，特别 是像铝这样的活泼金属，因此对碳纤维进行表面处理来 提高其与金属基体的相容性｡。当用液体渗入碳纤维预 制件时，只有在超过 1000℃以上时，铝才能润湿碳纤维， 在 1000℃以下时，碳纤维与铝基体反应生成Al4C3化合 物，不仅损伤了碳纤维，而且大大降低了复合材料的性 能，为此在制备复合材料时通常先对碳纤维进行表面改 性，通常有电镀、化学镀、物理化学气相沉积、溶胶/凝 胶法等
粉末冶金工艺流程
一、粉料制备与压制成型 粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进 行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和 机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度 的整体。 二、烧结 将压制成型的制件放臵在采用还原性气 氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体 金属熔点的2/3～3/4倍。由于高温下不同种 类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以 及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合。
碳纤维的制备工艺
主流产品 PAN 基碳纤维的制备工艺冗长且较为复杂， 以有机物丙烯聚丙烯腈单体为起始原料， 首先经纯化与其他单体丙烯腈共聚合形成聚丙烯腈， 然后先通过纺丝形成丝型， 再经过氧化、预氧化、碳化、二次碳化、上浆表面 处理等一系列复杂工艺后制备形成。
金属基复合材料
金属基复合材料是以各种纤维、颗粒、晶须等作为 增强相，金属(铁、铝、镁、钛、镍、铜等)为基体的 一种复合材料。金属基体是增强体的载体，起固结 纤维、传递载荷以及部分承载的作用，增强体纤维、 颗粒、晶须等均匀、弥散分布在基体中，成为承载 力的主体，大大改善了基体性能的不足。
前景
短碳纤维增强铝基复合材料
化学 镀 铜 配 方(+/0P\ ’SMUP [T$’*a[" ^@)<’UH"US$’*a[" 酒 石 酸 钾 钠 [S$’*a[" H"PM [S $’ *a["U"UoY联 吡 啶 S I$’ *a[" (\5- )+H*T [SI$’*a["甲醛TICE
电镀铜配方(+/0P\’SMUPUVV$’*a[" 硫! 酸 )[=Z\ $’BIa] *SV $’*a[" M+CSV I$’ *a["(HP][V$’*a[E Q^S!3!8-复 合 材 料 的 制 备
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。
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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。
3）挤压铸造法
将液态金属在一定压力下浸渗 到增强体预制件空隙中，并在压力 下凝固获得复合材料的方法。工艺 过程如图所示，先把预制件加热到 适当温度，然后将其放到预热的铸 型中，浇入液态金属并加压，使液
1）粉末冶金法 2）扩散粘结法
3）挤压铸造法
1）粉末冶金法 粉末冶金法是最早用来制 造金属基复合材料的方法。工 艺流程是现将混合粉末冷压成 型，再经过烧结完成复合。特
点：设备要求相对较低，便于
大批量生产，但是制品的致密 度较低，孔隙率较高，性能较
低。
2）扩散粘结法
在扩散结合法中，通过纤维前处理，首先制作中间原料
态金属浸渗到增强体预制件空隙中
，保压直到凝固完毕，从铸型中取 出即可获得复合材料零部件。
①可以制造复杂的复合材料零部件； ②在压力下复合，增强体与金属基体结合牢固，力学性能较高； ③增强材料及预制件不需进行表面预处理，便于工业化生产。
Cf/Al复合材料发展趋势分析
1）尽管目前粉末冶金法已经不再用于制造长纤维增强复合材料，但是粉末 冶金法在颗粒或晶须增强复合材料上依然具有很大的发展潜力。通过改进技术， 提高制品的致密度，降低孔隙率，可以极大地提高产品质量。 2）可以预料，在现代工业的高速发展和技术水平的高要求下，Cf/Al复合材 料必将以其独特优势在工业领域（尤其是航空航天领域）占据重要位置。但同时 也要看到，Cf/Al复合材料在未来的时间里要去的更进一步的发展，列入规模化 生产的行列，还需要进行更多的探索和实践。
铝合金在航空航天中的应用
碳纤维增强铝基复合材料（ Cf/Al ）
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方 法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长 补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不
同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、
铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强 材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶 须、金属丝和硬质细粒等。 碳纤维增强铝基复合材料（ Cf/Al ），基体为铝合金，主要包括201铝合金 、6061铝合金、5056铝合金；增强纤维为碳纤维，包括碳纤维T50、碳纤维 T300、沥青碳纤维、碳纤维HT和碳纤维HM。