基于沖擊韌性的Tif-Al復(fù)合材料設(shè)計(jì)與力學(xué)性能研究.pdf

1、本文以火星車車輪輪緣應(yīng)用為背景，為滿足抗沖擊，抗裂紋擴(kuò)展，耐磨及輕質(zhì)的要求，設(shè)計(jì)制備了單向的TC40.1/5056和2D-Tif/Al復(fù)合材料。鈦纖維強(qiáng)度和塑性都是金屬纖維中比較高的一種，探究了增強(qiáng)體鈦纖維的C涂層，纖維分布密度對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響，利用OM，XRD，SEM，EDS，TEM來(lái)觀察了Tif/Al復(fù)合材料微觀組織。
　　利用壓力浸滲方法制備了2D-Tif/Al復(fù)合材料，研究了纖維鋪層方向（0°-90°，15°-75

2、°，30°-60°以及±45°），纖維種類以及基體合金（2024和5056）對(duì)2D-Tif/Al復(fù)合材料強(qiáng)韌性的影響，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)纖維鋪層方向沿著±45°時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性綜合性能最佳?；w合金為5056時(shí)，其塑性比2024鋁基體高，并且鈦纖維與基體反應(yīng)程度比較小，塑性和沖擊韌性都得到提高。
　　單向板TC40.1/5056復(fù)合材料的縱向抗拉強(qiáng)度達(dá)481MPa，延伸率為9％，而60°，45°和90°的抗拉強(qiáng)度分別為135MPa，

3、121MPa和105MPa，延伸率都在1%以下，各個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度基本符合Tsai-Hill強(qiáng)度預(yù)測(cè)。
　　0°方向的TC40.1/5056單向板抗彎強(qiáng)度可達(dá)800MPa以上，而±45°鋪層的2D-TC40.1/5056復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度為400MPa左右，二維網(wǎng)狀復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度只有其單向材料抗彎強(qiáng)度的50%左右，主要是垂直跨距方向的纖維增強(qiáng)效果無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)，并且界面反應(yīng)也會(huì)給復(fù)合材料帶來(lái)割裂作用，使得二維的TC40.1/505

4、6復(fù)合材料彎曲性能整體下降。
　　0°方向的TC40.1/5056單向板的沖擊過(guò)程分為四個(gè)階段，在線彈性階段，此過(guò)程中先是基體與鈦纖維共同彈性變形，然后基體相對(duì)于鈦纖維來(lái)說(shuō)比較脆，萌生裂紋，釋放一定的應(yīng)力，使得載荷并沒(méi)有隨著撓度增加而線性增加，在出現(xiàn)最高點(diǎn)后載荷隨撓度下降，然后纖維彈性變形，曲線再次上升，直到纖維斷裂，曲線下降，單向TC40.1/5056復(fù)合材料的沖擊吸收功為23J左右，沖擊過(guò)程持續(xù)時(shí)間為0.5S，通過(guò)計(jì)算其沖擊韌

5、性為271KJ/m2，而±45°鋪設(shè)的2D-TC40.1/5056沖擊韌性為371KJ/m2，主要是沖擊過(guò)程中多了一個(gè)分層現(xiàn)象，增加了裂紋擴(kuò)展路徑，提高其沖擊韌性。
　　鈦纖維表面的C涂層會(huì)降低復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。主要是表面的涂層與纖維結(jié)合緊密，不易與Al反應(yīng)，界面結(jié)合強(qiáng)度比較低，并且還有裂縫出現(xiàn)，而無(wú)涂層的纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料剪切強(qiáng)度高，界面結(jié)合更牢固，易在外界載荷下發(fā)生分層現(xiàn)象。而基體合金有大量析

6、出相產(chǎn)生，提高了復(fù)合材料抗外界載荷能力，基體合金易在這些地方形成微孔，調(diào)整更多的變形量，增加吸收變形的功，也提高了材料的韌性。
　　鈦纖維直徑越小，相同體積分?jǐn)?shù)下鈦纖維在復(fù)合材料中分布密度越大，界面比表面積比更大，對(duì)外界沖擊載荷抵抗能力更強(qiáng)。31%的TA20.1/5056復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度在100MPa左右，抗拉強(qiáng)度達(dá)120MPa，延伸率為4%左右，沖擊韌性為265KJ/m2。31%的TA20.05/5056復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度達(dá)1