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1、碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、低膨脹和自潤(rùn)滑等優(yōu)異的綜合性能,是一種應(yīng)用非常廣泛的復(fù)合材料增強(qiáng)體。與連續(xù)碳纖維相比,短碳纖維具有價(jià)格低廉、相應(yīng)的復(fù)合材料性能各向同性及制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),使短碳纖維復(fù)合材料的研究備受關(guān)注。短碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在航天航空、電子工業(yè)等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景,尤其是增強(qiáng)鋁基、銅基、鎂基、鎳基復(fù)合材料等。但碳纖維與許多金屬在高溫下發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)和它們之間的潤(rùn)濕性差等,嚴(yán)重
2、限制了短碳纖維/金屬?gòu)?fù)合材料中的應(yīng)用發(fā)展。 對(duì)碳纖維進(jìn)行表面涂層處理是改善其界面的有效途徑,國(guó)內(nèi)外已有很多的研究報(bào)道,但對(duì)短碳纖維來(lái)說(shuō),一般的涂層工藝如氣相沉積、化學(xué)鍍等工藝成本高、繁瑣復(fù)雜。因此開(kāi)發(fā)一種工藝簡(jiǎn)單,且易于控制的短碳纖維表面涂層新方法顯得尤為重要。本論文工作以研究短碳纖維的表面處理新工藝為目標(biāo),對(duì)短碳纖維的非金屬涂層的制備、金屬化新工藝等進(jìn)行了有益的開(kāi)發(fā)研究;將得到的涂層短碳纖維應(yīng)用到金屬基(鋁基、銅基等)復(fù)合材料
3、中,探討了涂層對(duì)鋁與碳纖維界面的影響,研究了短碳纖維及混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備和性能等。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下: 研究了硝酸鹽法制備氧化鋁涂層的工藝,即利用硝酸鋁和氨水作為反應(yīng)物,控制水解和熱處理工藝在短碳纖維表面獲得a-Al<,2>O<,3>涂層。結(jié)果表明,最佳溶膠-凝膠制備工藝參數(shù)為:水解溫度為90℃,用0.025mol/L的HNO<,3>作為膠溶劑,干燥溫度為50℃。熱處理的升降溫速度1℃/mi
4、n即從室溫到1100℃再降到400℃,分別在200、700、1100℃時(shí)各保溫2h,降到400℃之后隨爐冷卻。對(duì)氧化鋁凝膠的相變過(guò)程研究發(fā)現(xiàn),700℃左右γ-Al<,2>O<,3>生成;800℃開(kāi)始有γ-Al<,2>O<,3>晶型向α-Al<,2>O<,3>的轉(zhuǎn)變;1000℃左右完全轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Al<,2>O<,3>。本實(shí)驗(yàn)得到的氧化鋁涂層厚度為200nm左右。 在傳統(tǒng)電鍍工藝基礎(chǔ)上,根據(jù)短碳纖維自身的特點(diǎn),如具有導(dǎo)電性、易于相互
5、纏繞搭接等,研究開(kāi)發(fā)了短碳纖維金屬化新工藝,結(jié)果表明該工藝簡(jiǎn)單實(shí)用,鍍層均勻、可控,且適用于各種常見(jiàn)的電鍍金屬工藝,得到的電鍍沉積物呈疏松多孔狀結(jié)構(gòu)或平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在疏松多孔狀沉積物電鍍工藝(LPE)中,電鍍鎳時(shí),電流密度的范圍為2.0~4.5 A/dm<'2>之間,鍍層厚度2.5~16μm之間可控;電鍍銅時(shí),電流密度的適用范圍為1.0~4.5 A/dm<'2>,可以得到1.5~14μm的銅鍍層。在平面網(wǎng)狀沉積物電鍍工藝(PNE)中,在
6、電鍍鎳時(shí),電流密度的范圍為:0.5~2.0A/dm<'2>之間,可以得到1.5~9μm之間均勻的鎳鍍層;電鍍銅時(shí),電流密度的適用范圍為1.5~3.0A/dm<'2>,可以得到2~9μm左右的銅鍍層。在上述短碳纖維表面處理工藝研究的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了氧化鋁涂層短碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面特征的影響,并對(duì)比了無(wú)涂層、鍍鎳、鍍銅等處理過(guò)的短碳纖維鋁基復(fù)合材料:研究發(fā)現(xiàn):無(wú)涂層的短碳纖維/鋁復(fù)合材料界面有嚴(yán)重的界面反應(yīng),碳纖維表面生成Al<,
7、4>C<,3>;鍍鎳、鍍銅等金屬涂層提高了鋁與碳纖維的潤(rùn)濕性,保護(hù)了短碳纖維,阻擋了鋁與短碳纖維間的界面反應(yīng),但鎳、銅等與鋁在界面或基體中分別生成有害的化合物,如Al<,3>Ni、CuAl<,2>等相,它們的生成導(dǎo)致了復(fù)合材料性能的下降;氧化鋁涂層復(fù)合材料中的界面干凈、結(jié)合良好,氧化鋁與纖維、與鋁均無(wú)反應(yīng)發(fā)生,很好的保護(hù)了短碳纖維,復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能。 將界面結(jié)合較好的氧化鋁涂層短碳纖維應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料中,用真空壓力
8、浸滲的方法制備了短碳纖維及混雜碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。對(duì)其性能的研究發(fā)現(xiàn),短碳纖維、碳化硅的加入,提高了材料的硬度,硬度值隨增強(qiáng)物含量的增加而增加,其中碳化硅對(duì)硬度的影響要大于短碳纖維。隨著短碳纖維、碳化硅含量的增加,復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能有不同程度的下降。 采用屏顯式端面磨損試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)研究了鋁基復(fù)合材料的干摩擦磨損性能。研究表明:短碳纖維的加入降低了鋁基復(fù)合材料的摩擦系數(shù),提高了耐磨性能;隨短碳纖維含量的增加
9、,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)、磨損率而降低;混雜鋁基復(fù)合材料具有很好的耐磨性能,隨碳化硅含量的增加,混雜復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增加,而磨損率降低;載荷和轉(zhuǎn)速增加后,將提高短碳纖維及混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)、磨損率等。在100N、100r/min時(shí),當(dāng)短碳纖維含量由0%增加到40%時(shí),材料摩擦系數(shù)由0.6降低到0.27;當(dāng)碳化硅含量從0%增加到15%時(shí),混雜復(fù)合材料摩擦系數(shù)由0.27增加到13.83。在摩擦過(guò)程中,鋁合金主要發(fā)生粘著磨損和氧化磨
10、損,短碳纖維/鋁復(fù)合材料主要發(fā)生磨粒磨損,混雜復(fù)合材料主要是磨粒磨損和氧化磨損。 將LPE工藝得到的鍍銅短碳纖維直接冷壓燒結(jié)成型,獲得了短碳纖維分布均勻、無(wú)明顯缺陷的銅基復(fù)合材料。冷壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為:壓制壓力400MPa,在氫氣氣氛下燒結(jié),燒結(jié)時(shí)控制在7小時(shí)升溫至850℃,保溫3小時(shí),4小時(shí)降至400℃后隨爐冷。并對(duì)銅基復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:短碳纖維/銅復(fù)合材料的硬度、拉伸強(qiáng)度等隨短碳纖維含量的增加而增加,復(fù)合材
11、料的致密度卻隨含量的增加而下降。熱物性能的研究表明,復(fù)合材料具有較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,可望應(yīng)用于高導(dǎo)與耐磨領(lǐng)域,同時(shí)在電子封裝材料領(lǐng)域中也很有應(yīng)用潛力。研究了銅基復(fù)合材料的干摩擦磨損性能。短碳纖維的加入降低了材料的摩擦系數(shù),提高了耐磨性能。復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率,隨短碳纖維含量的增加而降低。在100N、50r/min時(shí),當(dāng)短碳纖維含量從0%增加到23.2%時(shí),材料的平均摩擦系數(shù)從0.38降低到0.12。載荷和轉(zhuǎn)速的增加,提高了銅基復(fù)
12、合材料的摩擦系數(shù)和磨損率。純銅的磨損機(jī)制主要以粘著磨損為主,并伴隨有氧化磨損;而復(fù)合材料主要是剝層磨損;當(dāng)載荷和轉(zhuǎn)速增加時(shí),復(fù)合材料發(fā)生了較嚴(yán)重的氧化磨損。在復(fù)合材料中,短碳纖維起到了強(qiáng)化基體和固體潤(rùn)滑的作用,從而有利于降低摩擦系數(shù)和磨損量。在較高載荷和轉(zhuǎn)速下,碳纖維與銅之間的將發(fā)生脫粘,成為裂紋擴(kuò)展通道,導(dǎo)致材料磨損量的提高。 本文開(kāi)發(fā)了幾種短碳纖維表面處理新工藝,制備了涂層均勻、厚度可控的非金屬涂層及金屬氧化鋁涂層,考察了涂
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