短碳纤维增强镁基复合材料的发展
摘要：金属镁由于具有低密度和良好的阻尼减震性、导热性以及电磁屏蔽性等特点,在航空航天、交通运输和电子工业等领域有着广阔的应用前景,但由于纯镁的力学性能及耐腐蚀性能较差,因此在工业上一般不直接使用纯镁作为结构材料。
关键词：化学镀、短碳纤维、热挤压、美基复合材料、阻尼性能。
金属镁的工业应用多采取以下两种途径来实现:一是添加合金元素形成镁合金;二是加入增强体制备成镁基复合材料;在镁合金中引入不同功能增强体可显著地改善镁基复合材料的力学性能、耐磨性能、阻尼性能及耐高温性能。 碳纤维由于具有高的比强度、比模量、耐高温、耐疲劳、低膨胀和自润滑等优异的综合性能,使其成为一种非常理想的制备镁基复合材料的增强体材料。但是,碳纤维与金属镁之间的润湿性较差,为此往往需要对碳纤维进行表面处理,化学镀镍一方面由于其与金属镁之间良好的润湿性使得碳纤维增强镁基复合材料的力学性能大幅度提高;另一方面其在界面层中引入金属镍还可以显著地改善镁基复合材料的阻尼性能。
采用粉末冶金和热挤压的工艺技术制备了短碳纤维增强镁基复合材料,对其制备技术、组织结构、力学性能及阻尼性能等进行了研究。采用化学镀镍的方法对碳纤维进行了表面处理,并对金属镍的沉积机理及其对镁复合材料力学性能及阻尼性能的影响进行了研究,最后采用有限元法对复合材料的热挤压过程进行了计算机模拟,研究了挤压过程中各参数对复合材料微观结构的影响。
试验取得了以下主要成果:
1、在预备试验的基础上,设计了碳纤维化学镀镍处理的L16(4~5)正交试验,得到了最佳的施镀工艺条件:T=65℃,t=3min,pH=8.0,络合剂含量25g/L。采用此工艺条件,在碳纤维表面得到了结构均匀0.5um厚的金属镍涂层。
2、通过化学镀镍沉积过程研究发现,整个化学镀过程可分为诱导期-加速期-减速期-稳定期四个阶段。[OH-]的反应级数为0.265,[C_6H_5O_7~-]的反应级数为-0.233,化学镀的活化能为62.82KJ/mol。随着热处理温度的升高,金属镍涂层向碳纤维内部扩散而使其发生了石墨化、镀层内部晶粒明显长大、结晶度提高近1倍,其物相组成由初始的沿(111)晶面择优取向的金属Ni和少量的P转变为无序取向的Ni和Ni3P。
3、 以纯镁为基体金属,采用粉末冶金挤压法成功制备了短碳纤维分布均匀且定向排列的镁基复合材料。压坯制备过程中不规则镁颗粒对短碳纤维有剪切作用,复合材料内部的纤维会变短,其平均长度约为30μm;TEM测试结果表明,复合材料界面层厚度约500nm,界面结合良好,界面生成的Mg_2Ni对碳纤维有一定的催化
石墨化作用。
4、 综合理论计算和试验结果发现,涂层碳纤维增强镁基复合材料的增强机理主要是“载荷传递效应”;随着增强体体积分数的增加,在高于临界振幅的范围内复合材料的阻尼性能更加优良,常温下复合材料阻尼除位错阻尼机制外还有其他的阻尼机制存在。纯Mg、5.5vol%uncoated cf/Mg和5.5vol%Ni-coated cf/Mg三种材料在整个测试温度范围内都只存在一个阻尼峰,且随着频率的增加其阻尼