3D-CF/Al 復合材料宏細觀結構與力學性能研究進展

胡嘉彬 徐自立 余聯慶 劉海量

（湖北省數字化紡織裝備重點實驗室，武漢紡織大學機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200）

三維編織碳纖維增強金屬基復合材料結構的力學性能及其應用是近年研究的熱點問題[1-4]。運用三維編織增強技術，將一定數量的碳纖維束分別從x、y、z軸編織成一個不分層的整體結構——三維編織碳纖維增強體，再經預處理后使之置于鋁合金熔體中壓力浸滲成型，可得到三維編織碳纖維增強鋁基復合材料（以下簡稱為3D-CF/Al 復合材料）[3]。此類材料解決了單根碳纖維的排列控制問題，克服了傳統復合材料“分層”的固有缺點，同時纖維相互交織成立體網狀結構，可產生一種網絡骨架式的耦合增強效應，力學性能和某些物理性能可望得到極大提升，實現主承力結構件和高功能制件的輕質高強化的復合材料制造[5]。本文綜述了3D-CF/Al 復合材料宏細觀結構與力學性能的研究進展，并提出了一種探尋其不同應力狀態與編織結構之間最優力學協同關系的理論構想，為該領域的研究提出新的方向。

1 3D-CF/Al 復合材料的力學性能

三維編織纖維作為材料增強體，廣泛用于增強高分子基的復合材料中。三維纖維增強金屬與增強樹脂相比，前者難度大得多。纖維增強樹脂基復合材料成型溫度一般不超過200 ℃，過程可控程度高，基體與纖維相容性好，一般不存在界面反應問題，甚至可不用施加壓力成型。纖維增強金屬基復合材料成型溫度必須超過金屬基的熔點，如鋁合金近750 ℃，成型結晶過程復雜，基體與纖維相容性差，一般需要施加壓力成型，關鍵是存在界面反應造成結構與性能惡化的問題[6-10]。正因為如此，使得連續纖維增強金屬基復合材料的發展受到制約。3DCF/Al 復合材料制備過程中需要解決纖維絲的團聚問題，使纖維絲之間能夠充分滲入基體金屬熔體，并使纖維絲有效分散，以便在受力過程中實現纖維與金屬基體的協同性應力傳遞，提升復合材料的力學性能[11]。3D-CF/Al 復合材料中纖維絲的浸潤分散性主要與制備工藝參數、碳纖維增強體的編織結構有關[12]。

1.1 編織結構對力學性能的影響

在制備工藝相同時，預制體編織結構不同，制成的復合材料性能也不同。因此，研究不同碳纖維編織結構對CF/Al 復合材料力學性能的影響具有重要意義。

國內學者董敬濤等[13]、胡銀生等[14]對淺交彎聯、淺交直聯和層聯3 種典型編織結構的2.5D-CF/Al 復合材料分別進行了經向和緯向拉伸極限強度測試，結果表明織物結構對2.5D-CF/Al 復合材料的經向拉伸性能有一定的影響，其中淺交直聯結構的經向拉伸強度可達到414.51 MPa；織物結構對緯向拉伸強度影響不大。蘇里等[15]研究了經/緯向碳纖維的比例對淺交彎聯2.5D-CF/Al 復合材料拉伸性能的影響，發現經/緯向纖維比為65%∶35%的淺交彎聯CF/Al復合材料的綜合力學性能最好。帥亮等[16]選用2.5D 淺交直聯、三維正交和三維五向3 種編織結構（圖1）的CF/Al 復合材料進行了壓縮力學性能測試，發現織物結構對CF/Al 復合材料的壓縮性能影響較大，其中2.5D 淺交直聯CF/Al 復合材料因其浸滲缺陷及其纖維排布方式問題，壓縮強度最低，僅為99.8 MPa；三維正交CF/Al 復合材料壓縮強度最高，達到417 MPa。馮景鵬等[17]對比分析了三維正交和三維五向CF/Al 復合材料在25 ℃、350 ℃、400 ℃時的剪切性能，發現三維正交CF/Al 復合材料的剪切強度低于三維五向CF/Al 復合材料，特別是在室溫下，兩者剪切強度相差較大。蘭澤宇等[18]選用三維五向、三維正交、疊層穿刺和2.5D 淺交直聯4 種不同編織結構的CF/Al 復合材料在350 ℃和400 ℃下進行壓縮性能穩定性測試，發現當溫度由350 ℃升高到400 ℃時，2.5D 淺交直聯結構的壓縮強度下降幅度約為40.2%，高溫壓縮穩定性較差；疊層穿刺結構的壓縮強度下降幅度約為4.0%，高溫壓縮穩定性較好。賀辛亥等[19]研究了不同編織角（10°、20°和30°）的3D4-Cf/6061Al 復合材料的斷口形貌，發現隨著編織角增大，纖維在切向方向的分力增加、軸方向上應力減小，纖維斷裂面的不平整度增加，纖維拔出現象增加，復合材料的彎曲強度隨著編織角的增大而變差。

圖1 3 種編織方式的細觀結構[16]

上述研究表明，編織結構對CF/Al 復合材料的力學性能影響主要集中在徑向拉伸、壓縮、剪切強度方面。其中，三維正交結構由于各方向纖維束兩兩垂直，可以較好承受壓縮載荷；三維五向結構中的軸向纖維束、與軸向纖維束有一定角度的4 種傾斜纖維束對承受剪切載荷發揮重要的承載作用。但對于在受載過程中，CF/Al 復合材料的界面損傷、斷裂失效機理和織物結構參數設計等方面的細觀層面研究十分有限，有待深入開展相關研究工作。

1.2 制備工藝對力學性能的影響

1.2.1 制備工藝參數

3D-CF/Al 復合材料因碳纖維束中纖維絲之間團聚緊密，與金屬熔體的潤濕性很差以及兩者之間存在著嚴重的界面反應，限制了金屬基復合材料的性能，使其制備、應用遠遠落后于樹脂基與陶瓷基復合材料。因此，為了合理控制界面反應從而制備力學性能優良的3D-CF/Al 復合材料，可以從制備工藝入手。

聶明明等[20]研究了纖維預熱溫度對3D-CF/Al復合材料拉伸強度的影響，發現隨著纖維預熱溫度越來越高，材料更致密，但界面會過度反應生成大量Al4C3脆性相，降低纖維的增強作用，拉伸強度隨之降低，當預熱溫度為500 ℃時，材料的平均拉伸強度達到最高值777.8 MPa。從圖2 不同預熱溫度下的拉伸試樣斷裂后的斷口形貌可以觀察出，當預熱溫度為600 ℃時，材料整體拉斷且沒有明顯纖維拔出現象，表明此時界面強結合。

圖2 不同預熱溫度下3D-CF/Al 復合材料的拉伸試樣斷口形貌[20]

寧志新等[21]的實驗也表明，彎曲強度隨纖維預制體預熱溫度的升高先增加后減小，過高的預熱溫度將惡化界面結合，強度降低；針對浸滲溫度對3D5-CF6061Al 復合材料的彎曲性能影響進行了測試，發現當預熱溫度相同時，浸滲溫度上升會使復合材料的力學性能顯著下降。王振軍等[22]同樣發現隨著纖維預制體預熱溫度的增加使界面產物Al4C3相增多，從而引起2.5D-CF/Al 復合材料經/緯向拉伸力學性能下降。三維五向CF/Al 復合材料室溫拉伸強度隨預熱溫度的升高而先增加后減小，高溫拉伸強度隨預熱溫度的升高而提高[23]。胡銀生等[24]研究了浸滲保壓時間對3D-SiCF/Al 復合材料力學性能的影響，結果表明：保壓時間對3D-SiCF/Al 復合材料微觀組織有很大的影響，保壓時間短的復合材料容易出現纖維束內間隙、浸滲缺陷以及纖維團聚現象；隨著保壓時間延長，3D-SiCF/Al 復合材料的浸滲效果更好，纖維分布更加均勻；抗拉強度隨保壓時間的增加呈現先上升后下降的趨勢，這是由于過強的界面反應導致復合材料的力學性能惡化。

通過適當的熱處理工藝也可以改善復合材料的力學性能。劉燕武等[25]分析了角聯鎖3D-CF/Al 復合材料的熱殘余應力分布及其對組元材料的影響，發現基體合金和碳纖維分別處于殘余拉應力和壓應力狀態，殘余應力的不均勻分布導致基體合金發生不同程度損傷。聶明明等[26]、姜小坤等[27]對3DCF/Al 復合材料進行了液氮-196 ℃的深冷處理，隨著深冷處理時間延長，其拉伸強度增加、基體殘余熱應力降低，深冷處理36 h 后拉伸強度可達到最高620.09 MPa；深冷處理過程中因體積收縮效應導致的孔隙閉合及殘余應力降低是復合材料力學性能得以提高的原因。馮景鵬等[28]對比分析了3DCF/Al 復合材料分別在測試溫度為室溫25 ℃、350 ℃、400 ℃時的彎曲性能，隨著溫度的升高，基體合金軟化加深，導致徑向纖維束屈曲變形嚴重和脫粘現象，使復合材料無法承受彎曲載荷而失效，如圖3 所示。

圖3 三維正交CF/Al 復合材料彎曲試驗后試樣破損處斷口形貌[28]

由上述研究可以發現，3D-CF/Al 復合材料的界面結合程度是影響其力學性能的決定因素。無論纖維預制體的預熱溫度，還是浸滲澆注溫度，過高的溫度都將促使界面狀態惡化。高溫下界面產物Al4C3脆性相的大量存在，使復合材料拉伸強度、彎曲強度都明顯下降。浸滲保壓時間的過度延長，高溫熔體與纖維長期接觸，也將促成Al4C3脆性相的生成。深冷處理有利于組織致密，同時降低制備過程中形成的殘余熱應力，從而使材料的力學性能得到提升?？梢?，制備工藝參數的控制和優化是獲得優良復合材料的關鍵。

1.2.2 碳纖維表面處理

碳纖維增強鋁基復合材料是輕質高強、有極大應用前景的材料。到目前為止，由于鋁合金對碳纖維缺乏潤濕性以及碳化鋁（Al4C3）形成等有害反應，該應用受到了阻礙。在碳纖維表面涂覆適當的涂層，可以改善碳纖維和熔融基體之間的潤濕行為，使滲透難度降低、界面性能得到優化、復合材料斷裂韌度得到提高。

Abidin A Z[29]通過化學氣相沉積（CVD）對碳纖維的三維紡織預制棒涂有氮化鈦（TiN），如果與熔體的接觸時間不太長，TiN 涂層的抗氧化性提供了良好的保護效果。張善偉等[30]基于溶膠凝膠法在碳纖維預制體表面形成Al2O3-SiO2-TiO2涂層，運用SEM、XRD 等分析測試手段以及三點彎曲等試驗方法，發現涂層厚度對碳纖維的力學性能有明顯的影響，適當涂層厚度的3D-Cf/SiC 復合材料的抗彎強度可達303 MPa，具有較高的力學性能。張俊佳等[7]采用化學鍍鎳編織碳纖維，對其進行兩步預熱處理，發現空氣中加熱時生成的Ni3P 微晶為碳纖維提供了出色的潤濕能力；澄清了浸入熔融基體過程中鎳涂層的行為：與Al 結合反應，先產生固體Al3Ni2，再產生Al3Ni。其中，當熔體溫度上升到800 ℃時，所有的鎳元素都以微小的Al3Ni 相的形式存在，這意味著已經發生了充分的反應和足夠的擴散，因此，適當的溫度應控制在800 ℃左右，以優化鎳的分布和減少脆性相Al4C3的形成。在此基礎上，劉家明等[9]研究了一種優化的化學鍍鎳工藝，通過使用Pd-膠體活化，涂層表面典型的島狀團聚被顯著消除，提高了碳纖維增強鋁基復合材料的界面附著力。國外學者Jafari R 等[31]提出利用冷噴涂技術制造功能性鋁基復合材料，使用液滴形狀分析儀分析靜態水滴接觸角從而測量涂層表面的潤濕性，結果表明冷噴涂工藝使復合材料顯示出致密的結構、增強的疏水行為。

除了在碳纖維表面進行金屬涂層，在碳纖維表面涂覆碳納米管（CNTs）可實現碳纖維-碳納米管（CF-CNTs）的雜化，這種多尺度增強復合材料在碳纖維和金屬基體之間形成納米過渡層，緩解了界面反應損傷，又因摻雜CNTs 而引起的晶粒細化、位錯強化和載荷轉移等強化機制，提高了復合材料的強韌性[32-35]。從圖4 中可以看出CNTs/Al 的晶粒尺寸進一步減小，表明CNTs 有細化晶粒的作用[34]。

圖4 CNTs/Al 復合材料的TEM 表征圖[34]

2 三維編織金屬基復合材料細觀結構建模與力學分析

三維纖維增強金屬基復合材料大多處于制備研究的過程中，有關其宏細觀結構與力學分析幾乎鮮見報道。一般認為，有限元分析是研究三維編織金屬基復合材料細觀結構及力學性能等工程問題最為經濟有效的手段[36]。三維多向編織會使纖維束空間構型更為復雜，學者們一般多采用對周期性單胞建模分析的方法來表征材料宏觀結構的力學性能，其研究思想一般為：建立合適的細觀單胞模型、搭建組分材料本構關系、施加載荷后分析細觀力學性能、結合均勻化原則預測出宏觀力學性能[37]。

Williams B[38]采用壓力浸滲鑄造工藝生產預制體并進行了準靜態拉伸試驗，基于多尺度微力學的有限元框架，建立了金屬基復合材料拉伸變形行為（包括漸進損傷和破壞）的模型。王慶祥[39]基于統計的優化生長法，對連續增強SiC3D/Al 復合材料在沖擊載荷作用下的動態力學性能進行了數值模擬并優化，建立了復合材料三維有限元模型重構平臺。王忠遠等[40]針對真空壓力浸滲法制備的鋁基復合材料，建立了淺交直聯三維角聯鎖Cf/Al 復合材料細觀結構模型，模擬計算了其經向和緯向拉伸變形過程中的工程應力-應變曲線，與拉伸試驗曲線對比結果吻合較好，發現經紗的斷裂最終導致復合材料經向拉伸失效，緯紗的軸向斷裂最終導致緯向拉伸失效。劉燕武等[25]同樣采用真空壓力浸滲法制備了三維角聯鎖機織結構的CF/Al 復合材料，通過電鏡觀察其內部纖維排布情況，在此基礎上利用CATIA軟件建立了經紗和緯紗的機織結構，再通過布爾運算得到基體合金的幾何結構模型，最終將二者進行裝配獲得了該復合材料細觀結構模型，如圖5 所示，該模型可以較好地分析和預測復合材料制備降溫過程中的熱收縮變形行為。

圖5 三維角聯鎖CF/Al 復合材料細觀結構模型[25]

沈高峰等[41]采用真空輔助壓力浸滲法制備疊層穿刺Cf/Al 復合材料，建立了該材料細觀結構幾何模型，在代表性單胞的邊界上施加張超等[42]提出的一般周期性邊界條件并采用體積平均法；該模型預測了其在準靜態拉伸載荷作用下的經向拉伸彈性模量、極限強度與斷裂應變，發現均勻化計算的宏觀應力-應變曲線與實驗曲線總體上相符，且纖維拔出和基體斷裂導致的經紗軸向斷裂是誘發復合材料最終失效的主要機制。劉豐華等[43]采用真空壓力浸滲法制備三維正交Cf/Al 復合材料，根據其內部紗線截面形狀和結構特征建立了考慮界面作用的細觀力學有限元模型。其中，運用Ludwik 本構模型表征基體塑性應力-應變關系：

式中：σ 和 ε分別為基體合金塑性流動應力與塑性應變；n為應變硬化指數；σ0為屈服應力；k為強度因子。采用von Mises 準則判斷基體合金屈服行為，基體屈服后服從各向同性強化準則。采用延性損傷準則定義了塑性損傷演化因子表達式：

采用最大名義應力準則：

式中：tn、ts、tt分別為界面的法向和切向應力分量；分別為相應的界面極限強度。施加一般周期性邊界條件[36]后，研究了其在經向拉伸載荷作用下的漸進損傷與斷裂力學行為，發現纖維拔出導致經紗軸向斷裂是這種復合材料失效的主要機制。

上述關于3D-CF/Al 復合材料細觀模型的構建和力學機制分析，與實際情況的擬合度較高，為此類復合材料的設計和細觀結構力學的研究展現了一個良好的開端。但是，鋁基碳纖維復合材料中編織碳纖維通常采用由成百上千根纖維集束而成的纖維束，即使采用真空加壓浸滲法制備，鋁合金液也很難浸滲到每一根纖維周圍。這樣鋁合金基體呈現空間連續網絡狀，而纖維束內單絲間存在微空隙，是一個剛性加局部介柔性混合體。在受拉時，金屬的網絡狀結構開始發生破壞，此時剛性變為近柔性體。因此傳統純剛性體的力學理論原理受到挑戰，面臨許多問題。由于三維復合材料本身的復雜性，模型體系的構建須從簡單假設逐步進入到復雜的真實條件中進行?，F有文獻報道的力學分析模型中，有的未考慮制備微觀缺陷和纖維/基體界面層影響，有的未考慮熱殘余應力等因素，往往導致數值模擬取得的復合材料宏觀力學性能與實測結果有所偏離。對于3D-CF/Al 復合材料在復雜載荷下力學行為的分析和數值模擬，還需要深入研究這種結構在力學上能否穩定以及如何界定復合材料的破斷和失效。

3 3D-CF/Al 復合材料宏細觀結構的力學協同性

目前國內外學者對三維編織復合材料研究基本停留在制備研究層面，針對已制備或可制備的復合材料進行結構模型的建立和力學分析。從現有材料上建立單胞模型到模擬受載最后結合周期均勻化理論對該材料宏觀結構力學性能進行預測，已取得了不同的程度的成果進展。但是，所制備的材料適應于何種應力狀態存在盲目性，制備研究與材料的應用脫節。復合材料在宏觀尺度下是近似均值的，但細觀尺度下是周期性非均質的，不同于宏細觀都是均質的傳統材料，3D-CF/Al 復合材料不同的細觀結構有不同的力學響應和損傷容限。筆者認為，應從宏細觀結構的設計入手，解決三維編織結構和應力載荷如何適配以達到最大損傷容限的問題。增強體不同的三維編織結構參數將適應不同的應力狀態。某種三維編織結構可能更有利于承受拉伸載荷，而另一類結構可能更利于承受彎曲載荷；同類編織結構中纖維體積分數不同、編織角不同，也可能會有不同的強化與損傷機制。不同的三維編織結構，將對應不同的應力狀態，復合材料的力學性能，體現在宏細觀結構與應力狀態要達到有機統一、相長協同，所謂力學協同性。編織適當結構的三維纖維增強體、采取優化成型工藝方法，有望實現具備優異性能的大尺寸、復雜結構、較低成本的3D-CF/Al復合材料的凈成型制造。

4 結語

3D-CF/Al 復合材料綜合性能優異，應用前景廣闊，因而受到業內的高度關注。目前國內外學者對于增強體編織結構對三維編織金屬基復合材料組織和性能的影響研究十分有限，而碳纖維編織方式是決定3D-CF/Al 復合材料力學性能的重要因素之一，因此研究不同預制體編織結構對3D-CF/Al 復合材料組織和性能的影響具有重要意義。在此基礎上，借助現代分析方法，應用筆者提出的力學協同性構想，可以對預制體編織結構進行設計從而實現3DCF/Al 復合材料力學性能的優化?？梢灶A見，利用計算機技術對3D-CF/Al 復合材料中的碳纖維與鋁基之間進行構型化復合設計，優化編織結構，達到力學協同，可望實現3D-CF/Al 復合材料的性能預測和數字化設計制造。