Cf/Al 復(fù)合材料異形件預(yù)制體制備及其力學(xué)性能研究

陳寶林，周計(jì)明，韓立軍，王建成，齊樂華

（西北工業(yè)大學(xué) a.機(jī)電學(xué)院；b.陜西省纖維增強(qiáng)輕質(zhì)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（Cf/Al 復(fù)合材料）具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性能強(qiáng)、抗蠕變和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]，成為當(dāng)今輕量化、高性能結(jié)構(gòu)材料研發(fā)的熱點(diǎn)之一，在航空航天、通訊、電子、汽車等工業(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，有關(guān)鋁基復(fù)合材料在國內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究和應(yīng)用[2—3]。美國采用石墨纖維/6061Al 合金板材，通過擴(kuò)散連接的方式制造哈勃望遠(yuǎn)鏡的天線懸架以及衛(wèi)星波導(dǎo)管[4]，大大降低了衛(wèi)星發(fā)射及繞軌飛行的能量消耗；日本采用擠壓熔融鋁合金浸滲纖維預(yù)制體的方式，制備了鋁基復(fù)合材料汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞[5]，替代了價(jià)格昂貴的高鎳鑄件鑲?cè)钊?，大幅降低了生產(chǎn)成本，提高了活塞的使用壽命。我國采用無壓浸滲法研制了鋁基復(fù)合材料天線絲杠等制件[6]，并成功應(yīng)用于遙感衛(wèi)星上；采用擠壓鑄造工藝研制了鋁基復(fù)合材料汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞[7]，復(fù)合材料高溫拉伸性能提升了30%，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命延長了3 倍。在鋁基復(fù)合材料應(yīng)用過程中，為實(shí)現(xiàn)特定目的或達(dá)到良好性能，更多的機(jī)械零件或產(chǎn)品均采用了非圓、非矩形等不規(guī)則的異形截面，從而導(dǎo)致相應(yīng)的制備難度也大幅增加。

異形件通常由直曲線、平曲面等構(gòu)成，截面也在不斷地發(fā)生變化，形狀一般較為復(fù)雜。復(fù)合材料異形件制備過程中，首要問題是根據(jù)其形狀、尺寸或結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)合理的預(yù)制體制備工藝及相應(yīng)的成形方式，從而保證預(yù)制體能滿足尺寸精度、力學(xué)性能等要求。文中針對Cf/Al 復(fù)合材料異性件的制備問題，提出了一種預(yù)制體成形工藝方法，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式制備了性能較佳的異形件預(yù)制體，并利用液固高壓成形復(fù)合材料工藝[8—10]，最終成形了Cf/Al 復(fù)合材料異形件，以期為復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提高提供指導(dǎo)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的Cf/Al 復(fù)合材料零部件的制備和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 異形件預(yù)制體成形

碳纖維預(yù)制體作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)，是制備過程中首要考慮的問題，其成形方法和纖維的布局連接方式對制件的力學(xué)性能和成形質(zhì)量有較大影響。纖維縫合技術(shù)是采用縫合線，將二維織物縫合形成一個(gè)預(yù)制體，該方法可以有效提高復(fù)合材料層間強(qiáng)度和損傷容限。實(shí)驗(yàn)選用T-700，12K 碳纖維布作為增強(qiáng)相，纖維的平均直徑為7 μm。

圖1 為需成形的復(fù)合材料制件整體外觀結(jié)構(gòu)，其最大長度為73.5 mm，最厚處為11.2 mm，最薄處為4.15 mm，制件上既有直曲線又有平曲面；另外，曲面體的上曲面存在較大的翹曲角度，最大高度差達(dá)7.05 mm，這導(dǎo)致異形件的截面尺寸也不斷發(fā)生變化。一方面，由于其外形結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，無法通過碳纖維布簡單的疊層縫合，整體成形出與制件形狀尺寸相同的預(yù)制體；另一方面，該制件在應(yīng)用環(huán)境中將長期受到較大拉伸與剪切載荷作用，致使截面變化較突出的地方會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其在平面體和曲面體的連接面處將受到較大的剪切力作用。故文提出了一種“鋪層-纏繞-縫合”制備異形件預(yù)制體的工藝。該工藝首先將制件分割成平面體和曲面體兩個(gè)主體，分別對其進(jìn)行層狀切片，然后將碳纖維布層疊和纏繞，再通過纖維縫合線將平面體與曲面體進(jìn)行連接，最終形成一個(gè)完整的異形件預(yù)制體。

圖1 異型件的整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall structure of special-shaped part

基于上述工藝，考慮該異形件的外觀尺寸、預(yù)制體的成形精度及其整體力學(xué)性能等因素，提出如圖2所示的3 種成形方案。如圖2a 直接式縫合法是沿平面體和曲面體的相交面，將異形件分割成曲面體和平面體兩個(gè)部分，其均可以近似為兩個(gè)長方體，隨后進(jìn)行層狀切片，最后通過纏繞纖維將兩者連接成形；插銷式縫合法（見圖2b）為提高平面體和曲面體的連接定位精度，在曲面體的根部設(shè)置凸起，相應(yīng)在平面體開一道配合槽，層狀切片后裝配成形；整體式縫合法（見圖2c）將曲面體連同部分平面體設(shè)置為一體進(jìn)行切片，將“T”型的曲面體切片根部翻折90°后與平面體縫合連接，以此增加連接定位精度和連接強(qiáng)度。

1.2 Cf/Al 復(fù)合材料異形件制備過程

圖2 預(yù)制體成形方案Fig.2 Scheme of preform forming

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of test system

Cf/Al 復(fù)合材料異形件制備過程如圖3 所示。首先，通過對預(yù)制體性能分析選定一種合適的成形方案，經(jīng)鋪層、纏繞和縫合制備出異形件預(yù)制體，之后，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）在纖維表面制備熱解碳（PyC）涂層，以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。而后開展的復(fù)合成形試驗(yàn)選用鑄造鋁合金ZL207 作為基體合金，依托浸滲擠壓裝置和采集與控制系統(tǒng)完成Cf/Al 復(fù)合材料異形件的成形[1,9]。值得注意的是，合金熔煉過程中采用密封石墨保障浸滲擠壓裝置內(nèi)的密封狀態(tài)，可極大地減少鋁合金液和碳纖維在高溫環(huán)境下的氧化。工藝參數(shù)為：合金熔煉溫度為690 ℃，擠壓浸滲溫度為670 ℃，擠壓力為50 MPa。

1.3 測試方法

根據(jù)GB/T 228—2002，采用線切割加工的方法取得Cf/Al 復(fù)合材料力學(xué)性能分析試樣，拉伸性能測試采用深圳新三思公司的CMT-5304 電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為0.5 mm/min。采用VEGA3-TESCAN型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察復(fù)合材料的微觀組織特征及拉伸斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)制體性能分析

圖4 異形件縫合示意圖Fig.4 Stitching methods of special-shaped parts

3 種異形件預(yù)制體成形方案的縫合方式如圖4 所示，纏繞纖維穿過平面體鋪層將曲面體鋪層囊括在自身內(nèi)部，通過纏繞線的纏繞捆綁作用將平面體和曲面體連接成為一個(gè)整體，在受力過程中起到主承力纖維的作用。縫合纖維對鋪層進(jìn)行縫合，使得纖維由鋪層結(jié)構(gòu)連接為體結(jié)構(gòu)。文中采用理論計(jì)算的方式考察3種預(yù)制體在平面體和曲面體連接處的破壞強(qiáng)度，作為成形方案選擇的評判標(biāo)準(zhǔn)之一。

計(jì)算平面體和曲面體連接處的破壞強(qiáng)度，需考慮纏繞纖維的類型、直徑、纏繞密度（行距（mm）×繞距（mm））及其縫合纖維的類型、直徑以及縫合密度（行距（mm）×針距（mm））等問題。在直接式和插銷式縫合的連接強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，由于縫合纖維的作用僅僅是將鋪層進(jìn)行縫合成體，未形成對平面體和曲面體連接強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，因此其連接強(qiáng)度僅僅由纏繞纖維的應(yīng)力狀態(tài)所決定，可根據(jù)式（1）計(jì)算：

式中：S為曲面體和平面體的接觸面積；σ束為單根纏繞纖維的強(qiáng)度；ρ為纏繞密度。

整體式縫合的連接強(qiáng)度包含纏繞纖維力F纏和縫合纖維力F縫兩部分，纖維纏繞力由式（1）計(jì)算，而縫合纖維的受力示意圖如圖5a 所示。

圖5 預(yù)制體受力分析Fig.5 Stress analysis of preforms

拉伸初期，縫合纖維和鋪層完全結(jié)合，不存在橋聯(lián)力，但隨著不斷的加載，縫合纖維開始承載，橋聯(lián)力也將逐漸開始增大，橋聯(lián)力的計(jì)算見式（2）[11]。

式中：τ(l)為縫線剪切強(qiáng)度；D為縫線直徑；l為纖維拔出長度。

隨著載荷進(jìn)一步增大，纖維縫合線與其縫合方向的夾角φ逐漸增大，于是將縫合纖維受力情況分為i和j兩個(gè)方向。在i方向上，受力不斷增大，縫合纖維最終將因從曲面體中拔出而導(dǎo)致失效，此時(shí)縫合纖維拔出的實(shí)際承載力可由式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：τf為縫合纖維與鋪層之間的摩擦力；h為縫合纖維穿過曲面體的長度；s為縫合纖維從曲面體中拔出的長度。

在j方向上，隨著受力不斷增大，縫合纖維最終將因斷裂而導(dǎo)致失效，在纖維斷裂失效時(shí)，在該方向上實(shí)際的承載力可由式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中：S為縫合纖維的抗剪切強(qiáng)度。在載荷不斷增加的過程中，由式（3）可知，纖維偏離其縫合方向的夾角φ逐漸增大，i方向上所受的承載力也增加，即纖維被拔出而導(dǎo)致失效的可能性在不斷增加。式（4）表明，隨著夾角φ增大，纖維因斷裂而導(dǎo)致失效的可能性在減小，同時(shí)可知在j方向上，纖維的抗剪切強(qiáng)度對連接強(qiáng)度有很大的影響。在兩種模式中，實(shí)際承載能力較小者，將決定最終的失效形式。

縫合密度對平面體和曲面體的連接強(qiáng)度有很大的影響。在曲面體和平面體受力開裂過程中縫合纖維的受力模型可簡化如圖5b。縫合纖維和纖維鋪層之間的縫合力與總的彈性橋聯(lián)力P總相等，可根據(jù)式（5）計(jì)算：

式中：N為縫線數(shù)量，與行距和針距有關(guān)；φn為第n個(gè)縫合纖維在受載時(shí)偏離自身縫合方向的夾角。

綜上，采用整體式縫合方式，所得到的平面體和曲面體的連接強(qiáng)度的計(jì)算公式如式（6）：

文中采用T700-12K 碳纖維絲作為纏繞和縫合材料，其拉伸強(qiáng)度為4900 MPa。縫合纖維可以提高復(fù)合材料的層間強(qiáng)度和損傷容限，但密度過大會造成纖維發(fā)生彎折、斷裂等破壞，文中預(yù)制體縫合密度選用50 mm×50 mm[12]。根據(jù)異形件尺寸以及纏繞與縫合密度，計(jì)算出以上3 種預(yù)制體制備方案中平面體和曲面體的連接強(qiáng)度，如表1 所示。

直接式縫合與插銷式縫合都是通過纏繞纖維連接平面體和曲面體，但插銷式縫合中平面體的底部設(shè)置了凹槽，導(dǎo)致相對應(yīng)的纏繞纖維并不能穿過平面體，因此插銷縫合的連接強(qiáng)度相比直接縫合低。整體縫合連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前兩種方法，從圖4的連接面可以看出，不僅有纏繞纖維的連接作用，還有縫合纖維的連接作為增強(qiáng)方式，因此計(jì)算得到的連接強(qiáng)度最高。

表1 不同縫合方式下碳纖維預(yù)制體的平面體與曲面體之間的連接強(qiáng)度Tab.1 Connection strength between the plane body and the curved body of the carbon fiber preform under different stitching methods

直接式縫合的方法簡單、碳纖維布裁剪容易，但平面體和曲面體連接時(shí)的定位精度差、連接強(qiáng)度一般；插銷式縫合能提高平面體和曲面體連接時(shí)的定位精度，但強(qiáng)度不理想；整體式縫合法吸收了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有定位精度好、連接強(qiáng)度高的優(yōu)勢，并且保證了預(yù)制體的形狀尺寸，因此文中選擇整體式縫合作為實(shí)現(xiàn)異形件預(yù)制體制備的最優(yōu)方式。整體式縫合需注意：分割后的曲面體形狀依舊比較復(fù)雜，類似于“T”型結(jié)構(gòu)，在與平面體縫合時(shí)，“T”型曲面體的底端需要翻折90°，因此，在進(jìn)行曲面體碳纖維布裁剪時(shí)，需要底端的尺寸上設(shè)置一定的梯度，保證翻折后，外端的輪廓一致，從而提高異形件預(yù)制體的成形精度。

2.2 Cf/Al 復(fù)合材料異形件性能

根據(jù)整體式縫合成形方案，制備的異形件預(yù)制體如圖6a 所示；采用2.2 節(jié)所述工藝制備的Cf/Al 復(fù)合材料異形件如圖6b 所示，可以看出該復(fù)合材料異形件曲面形狀良好，表面無裸露的纖維。

圖6 異形件預(yù)制體Fig.6 Special-shaped parts

圖7a 和7b 分別顯示了Cf/Al 復(fù)合材料制件與鋁合金制件的拉伸性能與應(yīng)力-應(yīng)變曲線。Cf/Al 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為278 MPa 和102 GPa，鋁合金的分別為130 MPa 和72 GPa。相比于鋁合金，Cf/Al 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量分別提高了114%和42%。從圖7b 可以看出，Cf/Al 復(fù)合材料的受載過程中可分為3 個(gè)階段，即彈性變形階段、非彈性變形階段與斷裂階段。在彈性變形階段，Cf/Al復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，此時(shí)外載荷較小，鋁合金和碳纖維均只發(fā)生彈性變形。當(dāng)載荷進(jìn)一步增加時(shí)，曲線呈現(xiàn)非線性關(guān)系，此時(shí)鋁合金發(fā)生塑性變形，而碳纖維仍處于彈性變形階段。該階段中，碳纖維作為增強(qiáng)相承載大部分載荷，而且該階段在整個(gè)曲線中占比很大，很好地發(fā)揮了碳纖維的力學(xué)性能優(yōu)勢。最后，曲線急速下降，Cf/Al 復(fù)合材料發(fā)生斷裂失效?？偠灾?，由于碳纖維的作用，Cf/Al 復(fù)合材料的拉伸性能相較于鋁合金的性能提升顯著。

圖7 拉伸性能測試結(jié)果Fig.7 Test results of tensile properties

圖8 為Cf/Al 復(fù)合材料拉伸斷口形貌，可知復(fù)合材料斷裂時(shí)，斷口形貌表現(xiàn)為碳纖維單根拔出、纖維簇拔出以及部分纖維被拉斷，未發(fā)現(xiàn)纖維的脫粘和脆斷現(xiàn)象。由此可推斷Cf/Al 復(fù)合材料內(nèi)部浸滲充分，纖維與基體結(jié)合適中，碳纖維能夠有效地承載，因此Cf/Al 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度得到大幅提升。

為驗(yàn)證復(fù)合材料力學(xué)性能提升原因，采用SEM對Cf/Al 復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織觀察。圖9a 和9b 分別為Cf/Al 復(fù)合材料異形件連接處及中心部位的SEM照片，可以看出，采用整體式縫合預(yù)制體的復(fù)合材料異形件內(nèi)部均浸滲良好，碳纖維束間浸入了大量鋁合金，纖維束內(nèi)也充滿了鋁合金，碳纖維未出現(xiàn)折斷與聚集現(xiàn)象，異形件內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)微裂紋、氣孔等缺陷，正因復(fù)合材料內(nèi)部良好的浸滲，促使力學(xué)性能得到較大的提升。

圖8 Cf/Al 復(fù)合材料拉伸斷口形貌Fig.8 Tensile fracture morphology of Cf/Al composite

圖9 Cf/Al 復(fù)合材料浸滲組織Fig.9 Infiltration microstructure of Cf/Al composite

已知復(fù)合材料中的碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為46%，通過式（7）可計(jì)算出Cf/Al 復(fù)合材料的致密度ρ：

式中：ρ0為排水法計(jì)算得出的復(fù)合材料的實(shí)際密度(g/cm3)；ρm為鋁合金密度(g/cm3)。計(jì)算得出，該Cf/Al 復(fù)合材料異形件的致密度為98.59%，表明采用該工藝制備出的Cf/Al 復(fù)合材料致密性良好，碳纖維和鋁合金結(jié)合緊密，復(fù)合材料內(nèi)部孔洞和間隙缺陷少，因而有效保障了碳纖維發(fā)揮其力學(xué)性能優(yōu)勢，這與微觀組織分析所得結(jié)果一致。

3 結(jié)論

1）提出了“鋪層-纏繞-縫合”制備異形件預(yù)制體的成形工藝，通過理論計(jì)算分析了直接式縫合、插銷式縫合以及整體式縫合3 種預(yù)制體制備方案的優(yōu)缺點(diǎn)，表明整體式縫合獲得的預(yù)制體具有定位精度好，連接強(qiáng)度高等特點(diǎn)，優(yōu)于前兩種方案。

2）采用液固高壓工藝成功制備了Cf/Al 復(fù)合材料異形件，碳纖維排布規(guī)整，未出現(xiàn)折斷與聚集現(xiàn)象；復(fù)合材料致密度達(dá)98.59%，內(nèi)部未出現(xiàn)氣孔、微裂紋等缺陷，浸滲效果良好；同時(shí)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為278 MPa，較基體提高了114%。