固相合成制備短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能

楊釗 許紅雨 胡茂良 吉澤升

摘 要：采用固相合成技術(shù)制備短碳纖維（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%）增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。研究了不同擠壓溫度對復(fù)合材料組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：適當(dāng)升高擠壓溫度有利于形成組織均勻、晶粒細(xì)小的短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料;隨著擠壓溫度的升高，復(fù)合材料顯微組織均勻性先增后降，其力學(xué)性能呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。400℃熱擠出的復(fù)合材料性能最佳，抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變分別達(dá)到305MPa和6.1%。但是當(dāng)擠壓溫度過高時，會因短碳纖維團(tuán)聚、鎂合金基體組織長大導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降。

關(guān)鍵詞：固相合成;短碳纖維;鎂基復(fù)合材料;晶粒細(xì)化;力學(xué)性能

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.003

中圖分類號： TB331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0013-06

Abstract：Short carbon fibers reinforced AZ31 composites were fabricated by mechanical mixing and hot-extrusion， with 3% mass fraction of short carbon fiber. The effect of extrusion temperature on microstructure and mechanical properties of composites was studied. The results show that appropriate elevated extrusion temperature is beneficial to the uniform composition distribution and fine grain microstructure of the short carbon fibers reinforced AZ31 composites. With the increase of extrusion temperature， the homogeneity of the microstructure increases initially and then decrease， the mechanical properties of composite show the tendency of increasing firstly and then decreasing rapidly. When the extrusion temperature is 400℃， the composite exhibits optimal mechanical properties with tensile strength of 305MPa， and failure strain of 6.1%. However， too high of extrusion temperature causes carbon fibers agglomeration and magnesium matrix grain size growing， resulting in the properties reduction of the composite.

Keywords：solid phase synthesis; short carbon fibers; Mg matrix composite; grain refinement; mechanical properties

0 引 言

短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料因具有密度低、比強(qiáng)度和比模量高、阻尼性能好和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和電子等行業(yè)中[1-4]。為充分發(fā)揮輕質(zhì)復(fù)合材料的潛能，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料顯微組織及性能最優(yōu)化，國內(nèi)外材料學(xué)者致力于開發(fā)高效、低成本的碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備技術(shù)。目前較為成熟的制備技術(shù)有攪拌鑄造[5]、真空-壓力浸滲[6]和粉末冶金[7]等工藝方法。但常規(guī)高溫成型方法會引起鎂合金基體組織粗化，不利于獲得良好的力學(xué)性能，故可采用固相合成工藝來制備具有細(xì)小晶粒且組織均勻性高的短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。并且固相合成工藝制備工藝簡單，可實(shí)現(xiàn)材料的近凈成形，大大降低加工成本[8]，在擠壓、拉拔等過程也有利于提高復(fù)合材料的致密性，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的強(qiáng)度[9]，因此固相合成工藝成為制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料最主要的方法之一。

本文采用固相合成技術(shù)（機(jī)械混合+熱擠出），制備碳纖維（SCFs，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%）增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料（SCFs/AZ31）。由于鎂合金基體室溫加工性能較差，加工形狀復(fù)雜的零件比較困難[10]，因此本文著重研究擠壓溫度對該復(fù)合材料組織與性能的影響，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中SCFs的均勻分布、基體與增強(qiáng)相的致密結(jié)合，以及復(fù)合材料的優(yōu)異力學(xué)性能，為優(yōu)化復(fù)合材料塑性成形工藝提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)以AZ31鎂合金屑為基體合金，平均尺寸為（3.350～4.750）mm ×（1.400～2.360）mm×（0.090～0.500）mm，其化學(xué)成分見表1;以短碳纖維（short carbon fibers， SCFs）為增強(qiáng)相，平均直徑為7～8 μm。

1.2 復(fù)合材料的制備方法

本實(shí)驗(yàn)中采用機(jī)械混合（轉(zhuǎn)速80 r/min，混合時間240 min）的方法將AZ31鎂合金屑與SCFs進(jìn)行混合（其中SCFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%），混料時間30 min，混料過程中采用CO2為保護(hù)氣。將混合后的SCFs/AZ31混合物在350℃下保溫10 min后熱壓，壓力300 MPa，保壓時間為30 s。將熱壓坯料分別在300℃、350℃、400℃和450℃下進(jìn)行熱擠壓，得到Φ8 mm的棒材，擠壓比25∶1，擠壓速度0.2 mm/s。

1.3 復(fù)合材料分析方法

從熱擠壓棒料的中間部位，沿垂直于擠壓方向切割相應(yīng)的金相試樣，經(jīng)過打磨、預(yù)磨和拋光處理后，使用苦味酸腐蝕劑（4.2 g苦味酸+10 mL乙酸+70 mL酒精+10 mL水）進(jìn)行腐蝕，然后采用OLYMPUS-GX71-6230A型金相顯微鏡、JSM-7500F型掃描電鏡和JEOL JEM-2100型透射電鏡觀察復(fù)合材料顯微組織形貌及斷口形貌。拉伸試樣按照GBT228-2002加工，采用Instron 5500R型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測試材料的拉伸性能，應(yīng)變速率1 mm/min。拉伸試樣尺寸如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓溫度對擠壓件成形性的影響

圖2為不同擠壓溫度下的擠壓試樣的宏觀形貌，試樣對應(yīng)的擠壓溫度從下至上分別為300℃、350℃、400℃和450℃?？梢钥闯霎?dāng)擠壓溫度為300℃與350℃時，擠壓棒材擠出長度遠(yuǎn)不如400℃與450℃的擠出長度，大部分試料未被擠出。擠出材料的表面均光滑，無裂紋。這主要是由于擠壓溫度較低時基體中位錯運(yùn)動能力有限，且擠壓過程中SCFs對基體中的位錯運(yùn)動起阻礙作用，導(dǎo)致復(fù)合材料塑性變形能力受限，部分試料未被擠出。隨著擠壓溫度的提高，基體位錯運(yùn)動比低溫時容易，塑性變形能力提高，所以坯料被完全擠出。

2.2 擠壓溫度對SCFS/AZ31復(fù)合材料的顯微組織的影響

圖3為不同擠壓溫度下SCFs/AZ31復(fù)合材料橫截面的低倍顯微鏡組織。從圖3（a）中可以看出，當(dāng)擠壓溫度較低時，碳纖維主要呈鏈狀分布于AZ31鎂合金屑與屑之間的界面，表明屑與屑之間結(jié)合不充分;當(dāng)擠壓溫度升高到350℃和400℃時（圖3（b）和（c）），SCFs逐漸均勻的分布在基體中。這是由于隨著溫度升高，鎂合金的變形能力提高，變形程度提高，變形過程中對SCFs產(chǎn)生剪切作用力，同時熱擠壓對SCFs也會產(chǎn)生剪切應(yīng)力的作用，因此，基體中SCFs的鏈狀分布被破壞，并且均勻的分布在鎂合金基體中。隨著擠壓溫度繼續(xù)上升，由于部分小尺寸SCFs比表面積大，比表面能較高，在受熱過程中釋放剩余表面能而溶解在基體中，另一部分大尺寸SCFs比表面積相對較小，比較穩(wěn)定，不易溶解，造成基體的SCFs形成一個濃度梯度，這促使SCFs方向性擴(kuò)散，而出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象[11]。

圖4為不同擠壓溫度下SCFs/AZ31復(fù)合材料橫截面的高倍顯微鏡組織。從圖中可以看出，擠壓溫度越低，擠壓后試樣的晶粒越細(xì)小。但擠壓溫度過低時會使試樣不易擠出，擠壓溫度過高雖有利于完全擠出試樣，但不利于得到細(xì)小晶粒組織。

當(dāng)擠壓溫度為300℃時，SCFs/AZ31復(fù)合材料的組織均勻性較高，呈現(xiàn)細(xì)小的等軸晶，如圖4（a）

所示;當(dāng)擠壓溫度為350℃時，部分晶粒長大，復(fù)合材料組織為細(xì)小的等軸晶并混有少量的粗大晶粒，如圖4（b）所示;隨著擠壓溫度進(jìn)一步升高至400℃，材料的晶粒尺寸進(jìn)一步增大;當(dāng)擠壓溫度升高到450℃，復(fù)合材料和AZ31鎂合金的組織中晶粒已完全粗化，長大為粗大晶粒。這是由于鎂合金的動態(tài)再結(jié)晶形核數(shù)量與晶核長大速度受變形溫度影響，隨著變形溫度升高，合金中合金元素?cái)U(kuò)散速率變快，位錯的滑移、攀移、交滑移及位錯節(jié)點(diǎn)脫錨比低溫時容易，增加動態(tài)再結(jié)晶形核率，可促進(jìn)鎂合金動態(tài)再結(jié)晶[12];但當(dāng)擠壓溫度過高時，合金動態(tài)再結(jié)晶過程加快，晶粒長大占據(jù)優(yōu)勢，最終晶粒較粗大[13]。

圖5為經(jīng)400℃擠壓后SCFs/AZ31復(fù)合材料的TEM像。可見，SCFs與基體的界面結(jié)合良好，沒有裂紋等缺陷產(chǎn)生，也未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)相。致密的界面結(jié)合有助于提高基體和增強(qiáng)相之間載荷傳遞效率，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能[14]。

2.3 擠壓溫度對SCFS/AZ31復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響

圖5為不同擠壓溫度下SCFs/AZ31復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變。由于300℃下擠出的復(fù)合材料長度較短，無法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，故300℃擠出材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺省。由圖5可知，不同擠壓溫度的復(fù)合材料相比，其抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變有相似的變化規(guī)律，隨著擠壓溫度升高，均呈先升高后下降的趨勢，其中擠壓溫度為400℃的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變最高，分別為305 MPa和6.1%，擠壓溫度為450℃的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變最低，為262 MPa和3.5%。

擠壓溫度適當(dāng)?shù)奶岣呤共牧现性鰪?qiáng)相的分布均勻性得到改善，增加基體中動態(tài)再結(jié)晶形核率，促進(jìn)基體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶獲得細(xì)小晶粒，同時也可強(qiáng)化基體和增強(qiáng)相之間界面結(jié)合。所以350℃～400℃的擠壓溫度范圍內(nèi)，擠壓溫度升高有助于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。而過高的擠壓溫度會引起組織粗化，增強(qiáng)相團(tuán)聚，從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。

圖6為不同擠壓溫度下的SCFs/AZ31復(fù)合材料拉伸斷口的SEM像。由圖7（a）（c）和（e）可知復(fù)合材料的斷面平整度較低，斷面上存在多細(xì)小且形狀不規(guī)則的裂紋。隨著擠壓溫度的升高，裂紋形狀由細(xì)長狀變成孔狀。這是由于拉伸過程中基體與增強(qiáng)相變形不匹配，易于在界面處產(chǎn)生微裂紋，但均勻分布的增強(qiáng)相對裂紋的擴(kuò)展有阻礙作用，抑制了裂紋的長大;當(dāng)擠壓溫度升高，發(fā)生團(tuán)聚的增強(qiáng)相對裂紋的抑制作用減弱，導(dǎo)致微裂紋迅速擴(kuò)展，進(jìn)而復(fù)合材料斷裂[15]。

如圖7（b）（d）和（f）為不同擠壓溫度下SCFs/AZ31復(fù)合材料的微觀斷口形貌。350℃擠出的復(fù)合材料的斷面裂紋集中于AZ31鎂合金基體和增強(qiáng)相的界面處，多數(shù)SCFs被拔出，與基體合金界面脫粘，少數(shù)SCFs平行于斷面分布（如圖7（b））。隨著擠壓溫度升高，復(fù)合材料中SCFs與AZ31鎂合金界面結(jié)合和基體屑與屑界面結(jié)合均進(jìn)一步增強(qiáng)，放大后的斷口出現(xiàn)明顯的SCFs拔出現(xiàn)象，表明SCFs與AZ31鎂合金基體有較好的結(jié)合力，受到外力作用時SCFs起到了承載作用。但當(dāng)擠壓溫度過高時，由于增強(qiáng)相團(tuán)聚，多數(shù)SCFs散亂分布在復(fù)合材料斷面上，復(fù)合材料的力學(xué)性能的大小與復(fù)合材料承受軸向載荷時，沿?cái)D壓方向定向排列的增強(qiáng)相的多少有關(guān)[16]，沿?cái)D壓方向定向排列的增強(qiáng)相越多可以分擔(dān)更多的載荷，提高復(fù)合材料力學(xué)性能，反之，則降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

1）采用固相合成技術(shù)制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% SCFs的 SCFs/AZ31復(fù)合材料時，增強(qiáng)相分布均勻性受擠壓溫度影響，400℃擠壓時可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)相SCFs在基體中分布比較均勻，當(dāng)擠壓溫度繼續(xù)升高，SCFs在基體中團(tuán)聚現(xiàn)象明顯。

2）熱擠壓過程中，AZ31鎂合金的塑性變形機(jī)制對溫度敏感，隨著擠壓溫度的升高， SCFs/AZ31復(fù)合材料中基體的平均晶粒尺寸逐漸增大。當(dāng)擠壓溫度升高，鎂合金的動態(tài)再結(jié)晶晶核長大速率大于形核速率，最終晶粒長大。因此，結(jié)合增強(qiáng)相分布均勻性，綜合考慮400℃為比較適宜的擠壓溫度。

3）適當(dāng)?shù)奶岣邤D壓溫度使SCFs/AZ31復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變都得到明顯提高，提高擠壓溫度可強(qiáng)化基體和增強(qiáng)相之間界面結(jié)合，但擠壓溫度過高會導(dǎo)致增強(qiáng)相團(tuán)聚，沿?cái)D壓方向定向排列的增強(qiáng)相減少，從而導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能的降低。當(dāng)擠壓溫度為400℃時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變最高，分別為305MPa和6.1%。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）