碳纤维布增强铝基复合材料界面行为的研究项目摘要

碳纤维增强铝基复合材料是一种重要的复合材料，因具有轻质、高强、良好的塑性和导热性，被认为是理想的功能材料和结构材料，可广泛应用于航天航空、军事和汽车工业等领域。碳纤维与铝基体的界面结合问题是碳纤维增强铝基复合材料制备过程中最重要也是最难控制的环节。本项目以碳纤维布增强铝基复合材料为研究对象，研究碳纤维布与铝基体凝固过程及塑性变形阶段的界面行为。利用同步辐射原位成像、数值模拟、高分辨透射电镜等手段表征凝固过程中碳纤维与铝基体的界面反应、界面形貌及反应产物，研究电磁场、压力场及表面处理对界面行为的影响机制，研究固态变形过程中界面结构的协同变形机制。掌握碳纤维与铝基体结合过程中界面的形成和演变规律，并深入阐释界面形成的热力学和动力学机制。在此基础上，解决铝熔体对碳纤维布的浸渗问题，并实现控制碳纤维与铝基体的结合反应过程，为研究碳纤维增强铝基复合材料的制备方法提供理论指导。

碳纤维增强铝基复合材料因具有轻质、高强、良好的塑性和导热性等特点，被认为是理想的功能材料和结构材料，有望应用于航天航空、军事和汽车工业等领域。本项目以碳纤维编制布增强铝基复合材料为研究对象，研究碳纤维与基体结合过程中的界面反应行为，以及凝固过程中镀层工艺和外场对界面行为的影响，为碳纤维增强铝基复合材料的制备方法提供理论指导。本项目经过三年研究，取得如下结果： 1、提出一种半固态铸轧法制备碳纤维布增强铝基复合材料的工艺，利用压力场促使铝基体和碳纤维编织布的界面结合。借助模拟计算建立了温度参数和塑性变形量间的关系，阐释变形机制。通过调控外加压力和金属流动性，实现了铝熔体对碳纤维布的完全渗进。碳纤维编织布增强铝基复合材料板材能够在弯曲变形中提供良好的强化效果。 2、得到基体和纤维的渗进规律，阐释电磁诱导的渗浸转变机制。在液态复合过程中引入脉冲磁场，实现了金属熔体对编织布的渗浸过程由逐层渗浸方式向梯度同步渗浸方式转变。电磁场引入的磁致压力促进增加熔体渗浸深度。以此为基础实现了电磁铸造法制备碳纤维布增强铝基复合材料。 3、设计针对平纹碳纤维编织布的表面镀层新工艺。在传统化学镀层的工艺基础上，优化了一种针对于平纹碳纤维编织布特点的表面化学镀镍方法，将镀液的稳定时间延长至 120min以上，镀层的含磷量降低至9wt.%。并通过开发新的氧化剂体系，设计了胶态钯镀液化学镀镍工艺和碳纤维表面接枝短链羧酸铜的工艺。不仅简化了原有的镀层工艺，大幅降低了成本，更提升了镀层的均匀性与稳定性。

钢水的洁净化对提高钢材的性能具有重要意义，钢水中夹杂物的有效去除是钢水洁净化的前提。钢中夹杂物去除过程主要由三个环节构成，分别为夹杂物的长大、上浮和分离。但是目前的研究对于夹杂物的去除仅局限在前两个环节，而实际过程中第三个环节分离作为夹杂物行为的最后一步，很多情况下是整个夹杂物去除过程的限制性环节。本项目针对夹杂物去除的第三个环节展开研究，以钢渣界面的不同类型夹杂物为研究对象，分别研究夹杂物在钢渣界面的受力情况、润湿性以及夹杂物在渣钢界面的穿越过程、在渣层的融入过程和进入渣层后的聚合行为。建立系统完整的动力学过程定量表征模型，获得不同种类夹杂物在渣钢界面最小的去除时间，以及夹杂物形状尺寸、钢水温度、渣层粘度等因素对其产生的影响规律，为进一步有效去除钢液中不同种类的夹杂物提供新的思路，发展和完善纯净化冶炼的理论与方法。

帘线增强橡胶复合材料广泛应用于轮胎及各种缓冲结构中，更好地了解界面性能并进行界面优化设计对改善制品性能具有重要意义。根据非理想界面条件，利用Kolosov常数，获得了横观各向同性材料中满足中性条件的界面参数。如果界面性能是按照一般不考虑热残余应力设计，当热残余应力存在时，那么增强相就不再是中性的。研究表明可以通过控制热残余应力来设计界面参数使增强相保持中性。在最近提出的等刚度杆结构界面研究基础上本研究发展了一种非等刚度杆构成的桁架结构界面模型。根据中性夹杂的概念，采用节点平均化的方法研究了界面刚度方法。研究表明，在等双轴拉伸特殊载荷条件下所有杆是等刚度的。对于帘线增强橡胶材料，等效杆的刚度只与橡胶材料模量相关，而与帘线无关。与等刚度杆结构界面相比，非等刚度杆构成的桁架结构界面模型更适于表征多组分材料界面，而且更易于用于界面性能设计。建立了帘线增强橡胶材料三维非线性有限元分析模型，分析了帘线结构对界面及复合材料性能的影响规律。利用帘线H-拔出、扫描电镜(SEM)分析和表面光电子能谱(XPS)分析等试验方法对帘线增强橡胶材料界面特性进行了表征研究。结果表明，加载速率对帘线在橡胶基体中滑移特征有较明显影响。结合XPS分析说明了尼龙帘线经过偶联剂处理后可显著提高界面粘接强度。本项研究丰富了橡胶复合材料界面性能研究。