M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料組織及力學(xué)性能

宋美慧，武高輝

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，哈爾濱 150001)

連續(xù)碳纖維增強鎂基復(fù)合材料(Cf/Mg)以其比強度和比剛度居于可用結(jié)構(gòu)材料之首，而成為航空航天領(lǐng)域關(guān)注的熱點材料之一［1］。它具有密度低(小于2.0g/cm3)、比強度比剛度高、熱變形抗力好、阻尼性能高、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好及導(dǎo)熱性良好等優(yōu)點［2－4］。在高精度光學(xué)測量系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的鈹合金相比，具有低成本、無毒的優(yōu)點［5，6］;在空間飛行器結(jié)構(gòu)件應(yīng)用領(lǐng)域，與碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料相比，具有耐潮濕、抗原子氧輻照及防燃、抗氧化、高溫力學(xué)性能好等優(yōu)點［7］。在空間競賽的背景下世界各國都開始了對Cf/Mg復(fù)合材料的研究工作，其中以美國、英國、德國以及日本等國為主。中國在上世紀80年代也開始了對Cf/Mg復(fù)合材料的相關(guān)研究并取得了一定的成果，但是相比其他國家還存在著一定的差距。

另一方面，由于碳纖維與金屬鎂的潤濕角大于90°，因此在制備復(fù)合材料時，鎂合金的充分浸滲是急需解決的問題，以往的研究表明SiC顆粒與Mg具有良好的界面潤濕性［8，9］。研究在Cf/Mg復(fù)合材料制備過程引入SiC顆粒進行混雜增強，目的是通過提高鎂合金液體在預(yù)制件中的浸滲能力，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，并為金屬基復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料及試驗方法

采用壓力浸滲法制備單向M40/AZ91D及M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料，其中M40纖維體積分數(shù)分別為60%和55%;SiC顆粒粒徑5μm，體積分數(shù)5%，基體合金成分9wt.%Al，1wt.%Zn，0.2wt.%Mn。

利用Philips CM－12透射電子顯微鏡觀察與分析復(fù)合材料的微觀組織，透射電鏡加速電壓為100～120kV。在S－570型掃描電子顯微鏡上進行組織觀察和斷口分析。復(fù)合材料的力學(xué)性能測試在INSTRON－5569萬能電子拉伸試驗機上進行。試樣尺寸2mm×10mm×60mm，在受拉面正中間粘貼BE120－3AA型應(yīng)變片，應(yīng)變片有效面積為2mm×3mm。測試時，上壓頭直徑 10mm，下壓頭直徑4mm，跨距為40mm，橫梁移動速度為2mm/min，數(shù)據(jù)采集10點/min。彎曲試驗中材料的抗彎強度(σf)的計算公式為:

式中:P——試樣斷裂時最大載荷，N;

L——跨距，mm;

B——試樣中部寬度，mm;

h——試樣中部高度，mm。

彈性模量(E)的計算公式為:

式中:Pi——載荷－應(yīng)變曲線上任一點的載荷，N;

εi——載荷 － 應(yīng)變曲線上Pi點對應(yīng)的應(yīng)變，×10－6。

2 結(jié)果及討論

2.1 微觀組織

圖1是采用壓力浸滲法制備的Cf/Mg復(fù)合材料的形貌。由圖可見，復(fù)合材料組織致密，金屬液體浸滲充分，與纖維和SiC顆粒復(fù)合良好，纖維分布均勻。進行SiC顆粒混雜后碳纖維束得到有效分散。

圖1 Cf/Mg復(fù)合材料金相照片F(xiàn)ig.1 Microstructure of Cf/Mg composites

圖2為M40/AZ91D復(fù)合材料的微觀組織情況，由圖可見，界面處存在針狀及塊狀的物質(zhì)。對其進行電子衍射斑點標定表明為Al4C3針狀界面反應(yīng)物和塊狀Mg17Al12析出相。

圖3是M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料的微觀組織形貌。由圖可見，SiC－AZ91D界面平直光滑，沒有明顯的界面反應(yīng)發(fā)生，但是在界面處存在大量塊狀的析出物，對其進行電子衍射斑點標定表明為Mg17Al12相。

圖2 鑄態(tài)M40/AZ91D界面形貌Fig.2 Interface of M40/AZ91D composites

圖3 M40+SiC/AZ91D復(fù)合材料界面Fig.3 Interface of M40+SiC/AZ91D composites

復(fù)合材料在制備過程中，由于碳纖維和SiC顆粒表面溫度低于液態(tài)鎂合金，因此界面處成為基體合金凝固的前沿，導(dǎo)致鎂合金中的Al元素在界面處堆積、造成偏聚。同時由于碳纖維和SiC顆粒表面相對鎂合金具有高的表面能，從而為合金中的沉淀相非均質(zhì)形核提供了能量，使得Mg17Al12優(yōu)先在界面處形核。隨著復(fù)合材料在制備過程中液態(tài)鎂合金逐漸冷卻，界面處形成的細小Mg17Al12逐漸長大，形成塊狀的析出相。

2.2 力學(xué)性能

圖4是研究制備的兩種Cf/Mg復(fù)合材料的彎曲強度及彎曲模量。由圖可見，當(dāng)在復(fù)合材料中加入SiC顆粒進行混雜增強后，復(fù)合材料的力學(xué)性能被提高，其中M40+SiCp/AZ91D彎曲強度達到1 629MPa，彎曲模量達到216GPa，較 M40/AZ91D復(fù)合材料分別提高了24.7%和6.4%。

壓力浸滲法制備碳纖維增強鎂基復(fù)合材料的過程中，進行SiC顆?；祀s后在SiC－AZ91D界面處形成大量Mg17Al12，可以改善增強體與液體鎂合金的潤濕性，而顆粒間的空隙能夠增加鎂合金浸滲的通道，從而提高復(fù)合材料的制備品質(zhì)，使材料的力學(xué)性能得到提高。

圖4 Cf/Mg復(fù)合材料彎曲性能Fig.4 Bending strength and modulus of Cf/Mg composites

圖5為對應(yīng)幾種Cf/Mg復(fù)合材料彎曲斷口形貌。由于界面反應(yīng)適中，材料在承受載荷時，應(yīng)力能夠從先斷裂的纖維處通過界面裂紋增值和擴展傳遞到其他未斷裂的纖維，而使復(fù)合材料具有較高的強度，此時的復(fù)合材料斷口呈現(xiàn)大量纖維拔出的特征。

圖5 復(fù)合材料彎曲斷口觀察Fig.5 Bending fractographs of Cf/Mg composites

3 結(jié)論

(1)采用壓力浸滲法制備的M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料組織致密，金屬液體與纖維及SiC顆粒復(fù)合良好，碳纖維被SiC顆粒有效分散。

(2)M40+SiCp/AZ91D復(fù)合材料界面結(jié)合良好，M40－AZ91D界面處存在針狀A(yù)l4C3反應(yīng)物及塊狀Mg17Al12析出相;SiCp－AZ91D界面處存在塊狀Mg17Al12析出相。

(3)壓力浸滲法制備的M40+SiCp/AZ91D彎曲強度達到1 629MPa，彎曲模量達到216GPa，較 M40/AZ91D復(fù)合材料分別提高了24.7%和6.4%。

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