熱壓制備的碳纖維復合材料不同溫度的機械性能測試

柯 鋒,王朝恩

(1.湖北省陽新縣中等職業技術學校,湖北 陽新 435200;2.湖北大學 湖北 武漢 430062)

隨著近年來航空航天領域的快速發展和對復合材料要求的提高,碳纖維復合材料以其密度低、強度高、抗沖擊性能好等特點[1],在飛行器、火箭外殼等方面都有著廣泛應用,碳纖維復合材料的開發與應用已成為大家爭相研究的特點。在減重的同時提高復合材料的強度,是目前碳纖維復合材料的主要發展方向[2],真空熱壓法是一種利用熱能與機械能將復合材料致密化的方法[3],在制備過程中通過模具將壓力傳導至復合材料,控制加熱等工藝參數,有望制備出致密度高、機械性能好的復合材料,目前熱壓在碳纖維復合材料上的應用研究相對較少[4-6]。研究熱壓溫度、熱壓時間、熱壓壓力對碳纖維增強鋁基復合材料顯微組織、致密度和拉伸性能的影響,結果將有助于高性能碳纖維增強鋁復合材料的制備,并推動熱壓法在碳纖維復合材料制備中的應用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料包括增強體M40型碳纖維(抗拉強度2 750 MPa、單絲直徑6.6μm、經密度6束/cm、面密度126 g/m2),基體為1 060純鋁箔(密度2.69 g/cm3、抗拉強度110 MPa、彈性模量69 680 MPa,厚度為0.2 mm),改性劑HL403鋁合金粉(密度2.68 g/cm3、粒度為18 μm),50 g/L 氫氧化鈉,分析純無水乙醇。

1.2 試樣制備

預先將碳纖維在氫氧化鈉溶液中浸泡28 min,然后在無水乙醇溶液中浸泡36 min,吹干后備用;將鋁箔剪裁成Φ100 mm形狀,砂紙打磨表面后浸泡在氫氧化鈉溶液中除油,然后用清水和無水乙醇清洗吹干備用。以圖1所示的碳纖維復合材料結構示意圖進行層疊設計[7],在ZM-56-23Y型真空熱壓爐中對碳纖維復合材料進行熱壓燒結處理,熱壓過程中控制熱壓溫度介于520～560 ℃、熱壓時間80～240 min、熱壓壓力4～12 MPa,熱壓成型碳纖維復合材料。

圖1 碳纖維復合材料結構示意圖

1.3 測試方法

采用FEI QUANTA 200型鎢燈絲掃描電子顯微鏡對顯微形貌和斷口形貌進行觀察;采用INSTRON 5500型萬能材料試驗機進行拉伸強度測試,拉伸速率為0.4 mm/min,結果為5組試樣平均值;根據阿基米德法測試碳纖維復合材料的致密度[8],以3個試樣平均值作為結果。

2 試驗結果與分析

表1為不同熱壓工藝下碳纖維增強鋁基復合材料的機械性能。9組試樣的致密度介于94.4%～98.7%,抗拉強度介于160～265 MPa。對比不同熱壓工藝下碳纖維復合材料的致密度可知,9#試樣的致密度最低、3#試樣的致密度最高;對比不同熱壓工藝下碳纖維復合材料的抗拉強度可知,3#試樣的抗拉強度最高、8#試樣的抗拉強度最低,即熱壓溫度520 ℃、熱壓時間240 min、熱壓壓力為12 MPa時碳纖維復合材料具有最大的致密度和抗拉強度。

表1 不同熱壓工藝下碳纖維增強鋁基復合材料的機械性能

圖2為不同熱壓工藝下碳纖維復合材料的顯微形貌。對比分析可知,不同熱壓工藝下碳纖維復合材料的截面形貌都可見層狀結構,其中,黑色區域為碳纖維,灰色區域為鋁箔基體,且碳纖維整體都呈現平行分布特征。由于此時放大倍數較小,宏觀上未見碳纖維與鋁箔基體之間存在宏觀裂紋等缺陷,只是在某些熱壓工藝下存在碳纖維斷續分布的狀態,如試樣1#和試樣4#。

(a)1#

進一步對抗拉強度較大的3#和抗拉強度較小的8#試樣進行高倍形貌觀察如圖3所示。可見,熱壓溫度520 ℃、熱壓時間240 min、熱壓壓力為12 MPa時碳纖維復合材料(3#)中可見均勻分散的白亮斑,表明鋁基體已經與碳纖維發生了充分擴散,形成了良好的界面結合;從熱壓溫度560 ℃、熱壓時間160 min、熱壓壓力為8 MPa時碳纖維復合材料(8#)中可見,碳纖維和鋁基體未發生良好擴散,且局部區域好存在孔洞缺陷以及碳纖維偏聚現象,材料的致密度相對較低,且在受到外力作用時,這些缺陷會成為裂紋源[9]而影響抗拉強度。

(a)3#

碳纖維之間已經被鋁基體所填充,二者形成了良好的擴散,結合較好;微區成分主要含有Al和Cu元素,且Al/Cu原子比約為2∶1,結合文獻可知[10],所標識的區域為增強相Al2Cu,在熱壓過程中除可以起到填充孔隙等缺陷的作用外,還有助于起到顆粒強化效果[11]。

圖4為不同熱壓工藝下碳纖維復合材料的拉伸斷口形貌。可見,熱壓溫度520 ℃、熱壓時間240 min、熱壓壓力為12 MPa時碳纖維復合材料(3#)的拉伸斷口中纖維束未發生拔出現象,斷面也未見微孔存在,此時碳纖維和鋁基體發生了良好的協同作用[12],拉伸強度較高;熱壓溫度560 ℃、熱壓時間160 min、熱壓壓力為8 MPa時碳纖維復合材料(8#)的拉伸斷口形貌中可見,局部碳纖維發生了聚集,且在碳纖維聚集處可見明顯裂紋,這主要是因為在此熱壓工藝下鋁基體與碳纖維的擴散不足,溶液產生偏聚等缺陷[13],在承受外力時,裂紋首先在這些缺陷處萌生并擴展成裂紋[14],材料的致密度降低、抗拉強度減小。

(a)3#

3 結語

(1)9組試樣的致密度介于94.4%～98.7%,抗拉強度介于160 MPa～265 MPa。9#試樣的致密度最低、3#試樣的致密度最高;3#試樣的抗拉強度最高、8#試樣的抗拉強度最低,即熱壓溫度520 ℃、熱壓時間240 min、熱壓壓力為12 MPa時碳纖維復合材料具有最大的致密度和抗拉強度;

(2)不同熱壓工藝下碳纖維復合材料的截面形貌都可見層狀結構,且碳纖維整體都呈現平行分布特征。宏觀上未見碳纖維與鋁箔基體之間存在宏觀裂紋等缺陷,只是在某些熱壓工藝下存在碳纖維斷續分布的狀態;

(3)熱壓溫度520 ℃、熱壓時間240 min、熱壓壓力為12 MPa時碳纖維復合材料(3#)的鋁基體已經與碳纖維發生了充分擴散,形成了良好的界面結合;微區增強相Al2Cu的形成,在熱壓過程中除可以起到填充孔隙等缺陷的作用外,還有助于起到顆粒強化效果。