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[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。因此，本文从基体的角度讨论合金对于挤压铸造法制得的Cf /Al复合材料微观结构的影响。 1 试验情况

试验用金属基体为Al-Cu合金，其化学组成及含量见表1。纤维为T-300连续碳纤维，单丝直径约7μm（见图1a）。复合材料中纤维的体积含量为50%。挤压铸造设备为YA32-200A液压机，最大压力2000KN。挤压铸造的工艺参数为：铝合金的铸造温度为730℃；浇铸前模具预热温度550℃；铸造压力100MPa；保压时间2分钟。为研究复合材料的界面特性，同时对碳纤维表面进行镀Ni处理（图1b），并采用同样的工艺流程制备了镀Ni连续碳纤维增强铝基复合材料。

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复合材料微观结构的研究选用Hitachi S-4700扫描电镜。材料相结构的确定使用Rigaku D-max-rB X射线仪，波长为0.118nm，铜靶。 表1基体铝合金的成分及含量

图1. 纤维表面形貌（SEM）（a）原始的纤维表面形貌；（b）镀Ni后的纤维表面形貌 2 结果及讨论

图2a所示为铝合金基体的微观结构，深入观察发现Al晶粒比较粗大（约100-300μm）同时伴随有共晶结构（灰白色相）存在。EDS分析表明灰白色相为Al2Cu（Al：Cu=67.3：32.7），这一结论同XRD分析结果相吻合（图2b），即合金基体由Al和Al2Cu相组成，即典型的Al-Cu合金组织[14]。

图2.（a）铝合金基体的微观结构：A-共晶结构，B-Al基体，C-富Ti、V区域；（b）铝合金基体的XRD图谱。

图3. Cf /Al复合材料微观结构。碳纤维表面的Al2Cu相清晰可见（白色相）；（b）Cf /Al复合材料的XRD分析。（c）纤维表面镀Ni处理的Cf /Al复合材料的EDS线扫描分析。白色直线表示扫描轨迹；红色曲线代表C；绿色曲线代表Al；深蓝色曲线代表Ni；浅蓝色曲线代表Cu；（d）纤维表面镀Ni处理的 Cf /Al复合材料的XRD分析结果。

图3a所示为挤压铸造Cf /Al复合材料的微观结构。其中Al基体呈现灰色，纤维呈现黑色。EDS分析表明在碳纤维和Al基体之间的灰白相为Al2Cu，这一结果同样得到了XRD分析结果的确认（图3b），其中在26°附近的较宽峰为C。之前的研究发现，Al-Cu合金在固化过程中，Al在相对较高的温度固化，低熔点的共晶相在Al晶粒之间后固化[15，16，17]，而从本文的研究结果发现Al2Cu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Al4C3脆性相的形成。

图3c所示为挤压铸造的镀Ni碳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Al2Cu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Al2Cu相围绕纤维四周形成，基体内部共晶结构受到抑制或消除。EDS线扫描表明了Ni和Al2Cu的存在。但是与未镀Ni处理的Cf /Al复合材料相比，在镀Ni的Cf /Al复合材料中Ni层和Al溶液在固化时发生反应生成了NiAl3相（图3d）。同样，在镀Ni的Cf /Al复合材料中同样没有发现形成Al4C3相，纤维和Al之间的反应得到了保护。

图4. （a）Al合金基体的断口形貌；（b）Cf /Al复合材料断口形貌。

图4a 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主要以韧性断裂为主。然而由于受到界面相的影响，Cf

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/Al复合材料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Al4C3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，Al2Cu相均围绕纤维四周形成，这表明在固化过程中，纤维表面为Al2Cu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[9，10]。基于以上实验结果可以发现，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Al4C3的形成。碳纤维表面为Al2Cu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Al-Cu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，但镍层的存在导致了Ni同铝溶液的反应生成NiAl3相。 参考文献：

[1] Chand S. Review： Carbon fiber for composites [J].Journal of Materials Science， 2000，35（6）：1303 - 1313.

[2] 武高辉，张云鹤，陈国钦 等.碳增强铝基复合材料及其构件的空间环境特性[J].载人航天，2012，1（18）： 73-76.

[3] 张家杰.国内外碳纤维生产现状及发展趋势[J]. 化工技术经济，2005，23（4）： 118. [4] 胡锐，李海涛，薛祥义 等.Ti 对 C/Cu 复合材料界面润湿及浸渗组织的影响[J].中国有色金属学报，2008，18（5）：840-844.

[5] 马玉钦，齐乐华，卫新亮 等.真空吸渗挤压制备2D-C_f/Al复合材料的组织和性能研究[J].稀有金属材料与工程，2015，44（1）： 179-183.

[6] Yu-qin MA， Le-hua QI， Wu-qiang ZHENG， et al. Effect of specific pressure on fabrication of 2D-Cf/Al composite by vacuum and pressure infiltration [J]， Trans. Nonferrous Met. Soc. China，2013（7）： 1915−1921

[7] 帅甜田，卢百平，余欢 等.热压扩散法制备层压编织C_f/Al复合材料工艺研究[J].特种铸造及有色合金，2015， 35（1）：84-87.

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[8] 储双杰，吴人洁. CF/Al-4.5Cu复合材料界面产物的反应与生成机制[J].金属学报，1997，33（4）：432-436.

[9] H. G. Seong， H. F. Lopez， D. P. Robertson， et al. Interface structure in carbon and graphite fiber reinforced 2014 aluminum alloy processed with active fiber cooling. Materials Science and Engineering A. 2008-06-25， 487（1～2）： 201-209.

[10] P. He， Y. Z. Liu， D. Liu. Interfacial microstructure and forming mechanism of brazing Cf/Al composite with Al–Si filler [J]. Materials Science and Engineering A. 2006， 422（1～2）： 333-338.

[11] 孙小岚.短碳纤维增强铝基复合材料的制备及其性能研究.学位论文，有色金属冶金，东北大学，2011： 1-98.

[12] 武高辉，张云鹤，修子扬 等.碳纤维增强铝基复合材料及其成型技术研究进展.中国航空学会2007年学术会论文集，深圳：2007，专题36： 1-5.

[13] 王旭，蒋大鸣.合金元素对 Cf/Al复合材料微观组织及性能的影响.学位论文，材料科学与工程学院，哈尔滨工业大学，2010， 1-161.

[14] 高洪吉，许斌，牛玉超 等.对Al-Cu 合金中α-Al及Al2Cu 生长行为的探讨[J].铸造技术，2005， 8（26）：703-705.

[15] 汤进军.基于Thermo-Calc热力学计算Al-Cu共晶合金微观组织模拟及实验验证.学位论文，材料科学与工程学院，哈尔滨工业大学，2010，1-150.

[16] 牛晓武，赵志龙，刘琳.强脉冲磁场对Al-Cu共晶合金定向凝固组织的影响[J].热加工工艺（锻压版），2006， 35（1）：4-6.

[17] 赵光伟，李新中，徐达鸣 等.热处理对不同冷速Al合金共晶相形貌及含量的影响[J].有色金属学报，2012，22（2）：343-349.

作者简介：邙晓斌，（1983-），男，汉族，吉林省桦甸市人，博士，上海跃盛信息技术有限公司，工程师，主要从事新材料研究。

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