纖維含量對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料影響的研究

劉力，李明萬

(延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 延安 716000)

纖維含量對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料影響的研究

劉力，李明萬

(延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 延安 716000)

用粉末治金法制備了鋼纖維增強(qiáng)的Sn-Cu-Fe-WC基復(fù)合材料，研究了纖維含量對(duì)復(fù)合材料密度、抗拉強(qiáng)度、單位體積吸收能量值、斷裂伸長率、彈性模量和硬度的影響。結(jié)果表明：隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的其塑韌性略有降低，彈性模量基本保持不變?？估瓘?qiáng)度和硬度卻隨著纖維含量的增加而增大，在纖維含量的15%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后抗拉強(qiáng)度和硬度又逐漸減小。可見：纖維含量太低不能充分發(fā)揮纖維在復(fù)合材料中增強(qiáng)效果，反而成為多余夾雜甚至成為缺陷源。但含量過高工藝上又不易實(shí)現(xiàn)，最佳的纖維含量應(yīng)該為15%。

纖維含量；纖維增強(qiáng)；性能

0 前言

粉末冶金制備的金屬陶瓷復(fù)合材料廣泛用于制造摩擦制動(dòng)器件和金剛石工具,但粉末冶金法決定了制品的強(qiáng)度，特別是抗拉強(qiáng)度低，沖擊韌性差，致使制品的使用性能和使用壽命降低[1]。利用金屬纖維的高強(qiáng)度，高模量對(duì)金屬陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行強(qiáng)韌化，可大大提高其強(qiáng)度，改善基體的導(dǎo)熱性能，對(duì)阻止表面裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展也能起到很好的作用，是對(duì)金屬陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行強(qiáng)韌化的一種行之有效的措施[2]。

在用粉末冶金法制備316L不銹鋼纖維增強(qiáng)的Sn-Cu-Fe-WC基復(fù)合材料的過程中，纖維含量是其中重要的一環(huán)。在一定纖維含量內(nèi)，纖維含量愈高，對(duì)材料的增強(qiáng)效果越明顯，但同時(shí)復(fù)合材料的混勻就越困難，采用短纖維更有利于粉末冶金工藝的實(shí)施。

1 試驗(yàn)過程及結(jié)果

試驗(yàn)采用的是不同的纖維含量對(duì)Sn-Cu-Fe-WC纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的影響，纖維含量分別為9%、15%和20%燒結(jié)溫度都采用940 ℃，保溫時(shí)間均為1 h，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1) 纖維含量對(duì)密度的影響(圖1)，隨著纖維含量的增加，試樣密度在逐漸下降，當(dāng)纖維含量達(dá)到了20%時(shí)，試樣密度達(dá)到了最低值。Sn-Cu-Fe-WC基體隨纖維含量的升高，試樣密度下降得很快。

圖1 纖維含量對(duì)密度的影響

2) 纖維含量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響。材料試樣的抗拉強(qiáng)度隨纖維量變化曲線(圖2)。Sn-Cu-Fe-WC基體隨纖維含量的增加抗拉強(qiáng)度不斷升高，在纖維含量達(dá)到15%時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，隨后開始降低。

圖2 纖維含量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

3) 纖維含量對(duì)單位體積吸收能量值和斷裂伸長率的影響。單位體積吸收能量值和斷裂伸長率隨著纖維含量變化分別如圖3和圖4所示，從(圖3、圖4)中可知，隨著纖維量的升高，兩者均呈現(xiàn)出下降的趨勢，20%纖維量為最低值。

圖3 纖維含量對(duì)單位體積吸收能的影響

圖4 纖維含量對(duì)斷裂伸長的影響

4) 纖維含量對(duì)硬度的影響(圖5)。從圖5中可看出明顯的趨勢： Sn-Cu-Fe-WC基體復(fù)合材料隨纖維含量的增加，硬度值也在不斷升高，在纖維含量15%處達(dá)到最高值，隨后硬度開始下降。

圖5 纖維含量對(duì)硬度的影響

5) 纖維含量對(duì)彈性模量的影響，如圖6所示。隨著纖維含量增加復(fù)合材料的彈性模量逐漸降低。但下降趨勢比較平緩。

圖6 纖維含量對(duì)彈性模量的影響

2 分析與討論

在纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中纖維的含量是一個(gè)很重要的參數(shù)，纖維含量的不同將影響到增韌機(jī)理和復(fù)合材料的斷裂模式。含量過低，不能充分發(fā)揮復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的作用，反而成為多余夾雜甚至成為缺陷源。但是含量過高，易形成團(tuán)聚，在基體中分散不均勻，纖維和基體之間不能形成一定厚度的過度層，既無法承擔(dān)對(duì)纖維力的傳遞也不利于復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性值的提高。故合理的纖維體積含量是復(fù)合材料設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)。基體材料在燒結(jié)中,異相材料的結(jié)合總會(huì)比同相材料結(jié)合差,纖維的加入等于添加了新的組元,這樣就破壞了原有基體材料的結(jié)合性。而且,短纖維的加入必然會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生割裂作用[3]。所以, 材料的孔隙會(huì)隨著纖維的增加而增多，這樣又引起密度的下降,拉伸時(shí)更加容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,燒結(jié)材料的塑性和韌性也會(huì)因此降低。但是,由于纖維另一方面起著強(qiáng)韌化效果,所以塑性和韌性的降低不是很明顯。

試驗(yàn)中材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和硬度都隨纖維的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象,這是因?yàn)殡S著纖維量的提高，有更多的纖維與基體緊密結(jié)合，高模量纖維的強(qiáng)化效果得以體現(xiàn)。而過多的纖維會(huì)對(duì)基體割裂作用增強(qiáng)，使得孔洞增加,所以在纖維達(dá)到一定值后性能隨纖維增加反而下降[4]。圖7和圖8為940℃、保溫時(shí)間都為1h，基體

圖7 基體+9%纖維在940 ℃、1 h的SEM照片

添加9%短纖維和基體添加20%短纖維的SEM照片。從圖8上可以明顯看到，基體添加20%短纖維后復(fù)合材料的孔隙率較多，而且纖維與基體的結(jié)合情況也不是很理想，結(jié)合面多處出現(xiàn)脫落；相反，基體添加9%短纖維孔隙率較少，纖維與基體的結(jié)合也比較緊密。

圖8 基體+20%纖維在940 ℃、1 h的SEM照片

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)，對(duì)Sn-Cu-Fe-WC基體及其添加不同含量的纖維后的復(fù)合材料可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 材料的抗拉強(qiáng)度隨著纖維含量的增加先升高，然后又快速降低；密度、塑性和韌性都隨著纖維含量的升高而下降，但下降的幅度并不大。硬度和彈性模量都隨纖維含量升高先增加后減小，且增減幅度較大。

2) 纖維含量從9%到15%過程中，材料的抗拉強(qiáng)度明顯增高，在15%處達(dá)到最高值362 MPa；纖維含量從15%增加到20%的過程中，復(fù)合材料的所有性能都在下降，說明20%的纖維含量對(duì)燒結(jié)試樣性能起到弱化作用。

3) 可以推斷出燒結(jié)試樣最佳的纖維含量為15%，最高強(qiáng)度為362 MPa。

4) 在試驗(yàn)中，Sn-Cu-Fe-WC基體的最佳抗拉強(qiáng)度為237 MPa，而Sn-Cu-Fe-WC基體添加15%的纖維最佳抗拉強(qiáng)度為366 MPa。由此可見，纖維的加入提高了基體的抗拉強(qiáng)度，提高幅度至少是基體的1/3。

[1] 李榮久. 陶瓷-金屬復(fù)合材料[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2004年，145-231.

[2] 鄧海金，李 明，龔敏. 鋼纖維對(duì)銅基金屬陶瓷摩擦材料力學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響 [J]. 摩擦學(xué)報(bào), 2004, 24(4): 336-340.

[3] 劉寧，胡振華. SiC晶須對(duì)金屬陶瓷抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的影響[J]. 稀有金屬材料與工程，1996，25(5): 12-14.

[4] 劉玲,殷寧，亢茂青，等. 纖維增韌復(fù)合材料機(jī)理的研究[J]. 材料科學(xué)與工程，2000，7(2): 116-119.

[5] 李明萬. 燒結(jié)溫度對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料影響的研究[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011，40(1): 58-60.

Research on Impact of Fiber Content on Characteristicsof Fiber-reinforced Composite Materials

LIU Li, LI Mingwan

(Yan'an Vocational and Technical College, Yan'an 716000, China)

The steel fiber reinforced Sn-Cu-Fe-WC materials are fabricated by using powder metallurgical processing technique. The impact of the fiber content on the density, tensile strength, and unit volume of absorbed energy, elongation at break, elastic modulus and hardness of the material composite is studide. The results show that with the increase of fiber content, its plastic toughness of decreases slightly, the elastic modulus is basically unchanged, the tensile strength and hardness increase. And the tensile strength comes up to the maximum when the fiher content is 15%, then the tensile strength and hardness decrease gradually. It can be seen that the fiber content is to low, it can’t make full use of the fiber in the composite material and becomes redundance and even the defect source. If the content is too high, it is not easy to process it. The optimum fiber content should be 15%.

fiber content; fiber reinforcement; property

劉力(1976-)，女，河北衡水人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)材料及教學(xué)。

TH114

A

1671-5276(2015)05-0071-02

2014-04-08