M40+SiCp/AZ91D复合材料组织及力学性能

宋美慧，武高辉

(1.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020;2.哈尔滨工业大学材料学院，哈尔滨 150001)

连续碳纤维增强镁基复合材料(Cf/Mg)以其比强度和比刚度居于可用结构材料之首，而成为航空航天领域关注的热点材料之一［1］。它具有密度低(小于2.0g/cm3)、比强度比刚度高、热变形抗力好、阻尼性能高、热膨胀系数低、尺寸稳定性好及导热性良好等优点［2－4］。在高精度光学测量系统应用领域，与传统的铍合金相比，具有低成本、无毒的优点［5，6］;在空间飞行器结构件应用领域，与碳纤维增强树脂基复合材料相比，具有耐潮湿、抗原子氧辐照及防燃、抗氧化、高温力学性能好等优点［7］。在空间竞赛的背景下世界各国都开始了对Cf/Mg复合材料的研究工作，其中以美国、英国、德国以及日本等国为主。中国在上世纪80年代也开始了对Cf/Mg复合材料的相关研究并取得了一定的成果，但是相比其他国家还存在着一定的差距。

另一方面，由于碳纤维与金属镁的润湿角大于90°，因此在制备复合材料时，镁合金的充分浸渗是急需解决的问题，以往的研究表明SiC颗粒与Mg具有良好的界面润湿性［8，9］。研究在Cf/Mg复合材料制备过程引入SiC颗粒进行混杂增强，目的是通过提高镁合金液体在预制件中的浸渗能力，从而提高复合材料的力学性能，并为金属基复合材料的优化设计提供理论指导。

1 试验材料及试验方法

采用压力浸渗法制备单向M40/AZ91D及M40+SiCp/AZ91D复合材料，其中M40纤维体积分数分别为60%和55%;SiC颗粒粒径5μm，体积分数5%，基体合金成分9wt.%Al，1wt.%Zn，0.2wt.%Mn。

利用Philips CM－12透射电子显微镜观察与分析复合材料的微观组织，透射电镜加速电压为100～120kV。在S－570型扫描电子显微镜上进行组织观察和断口分析。复合材料的力学性能测试在INSTRON－5569万能电子拉伸试验机上进行。试样尺寸2mm×10mm×60mm，在受拉面正中间粘贴BE120－3AA型应变片，应变片有效面积为2mm×3mm。测试时，上压头直径 10mm，下压头直径4mm，跨距为40mm，横梁移动速度为2mm/min，数据采集10点/min。弯曲试验中材料的抗弯强度(σf)的计算公式为:

式中:P——试样断裂时最大载荷，N;

L——跨距，mm;

B——试样中部宽度，mm;

h——试样中部高度，mm。

弹性模量(E)的计算公式为:

式中:Pi——载荷－应变曲线上任一点的载荷，N;

εi——载荷 － 应变曲线上Pi点对应的应变，×10－6。

2 结果及讨论

2.1 微观组织

图1是采用压力浸渗法制备的Cf/Mg复合材料的形貌。由图可见，复合材料组织致密，金属液体浸渗充分，与纤维和SiC颗粒复合良好，纤维分布均匀。进行SiC颗粒混杂后碳纤维束得到有效分散。

图1 Cf/Mg复合材料金相照片Fig.1 Microstructure of Cf/Mg composites

图2为M40/AZ91D复合材料的微观组织情况，由图可见，界面处存在针状及块状的物质。对其进行电子衍射斑点标定表明为Al4C3针状界面反应物和块状Mg17Al12析出相。

图3是M40+SiCp/AZ91D复合材料的微观组织形貌。由图可见，SiC－AZ91D界面平直光滑，没有明显的界面反应发生，但是在界面处存在大量块状的析出物，对其进行电子衍射斑点标定表明为Mg17Al12相。

图2 铸态M40/AZ91D界面形貌Fig.2 Interface of M40/AZ91D composites

图3 M40+SiC/AZ91D复合材料界面Fig.3 Interface of M40+SiC/AZ91D composites

复合材料在制备过程中，由于碳纤维和SiC颗粒表面温度低于液态镁合金，因此界面处成为基体合金凝固的前沿，导致镁合金中的Al元素在界面处堆积、造成偏聚。同时由于碳纤维和SiC颗粒表面相对镁合金具有高的表面能，从而为合金中的沉淀相非均质形核提供了能量，使得Mg17Al12优先在界面处形核。随着复合材料在制备过程中液态镁合金逐渐冷却，界面处形成的细小Mg17Al12逐渐长大，形成块状的析出相。

2.2 力学性能

图4是研究制备的两种Cf/Mg复合材料的弯曲强度及弯曲模量。由图可见，当在复合材料中加入SiC颗粒进行混杂增强后，复合材料的力学性能被提高，其中M40+SiCp/AZ91D弯曲强度达到1 629MPa，弯曲模量达到216GPa，较 M40/AZ91D复合材料分别提高了24.7%和6.4%。

压力浸渗法制备碳纤维增强镁基复合材料的过程中，进行SiC颗粒混杂后在SiC－AZ91D界面处形成大量Mg17Al12，可以改善增强体与液体镁合金的润湿性，而颗粒间的空隙能够增加镁合金浸渗的通道，从而提高复合材料的制备品质，使材料的力学性能得到提高。

图4 Cf/Mg复合材料弯曲性能Fig.4 Bending strength and modulus of Cf/Mg composites

图5为对应几种Cf/Mg复合材料弯曲断口形貌。由于界面反应适中，材料在承受载荷时，应力能够从先断裂的纤维处通过界面裂纹增值和扩展传递到其他未断裂的纤维，而使复合材料具有较高的强度，此时的复合材料断口呈现大量纤维拔出的特征。

图5 复合材料弯曲断口观察Fig.5 Bending fractographs of Cf/Mg composites

3 结论

(1)采用压力浸渗法制备的M40+SiCp/AZ91D复合材料组织致密，金属液体与纤维及SiC颗粒复合良好，碳纤维被SiC颗粒有效分散。

(2)M40+SiCp/AZ91D复合材料界面结合良好，M40－AZ91D界面处存在针状Al4C3反应物及块状Mg17Al12析出相;SiCp－AZ91D界面处存在块状Mg17Al12析出相。

(3)压力浸渗法制备的M40+SiCp/AZ91D弯曲强度达到1 629MPa，弯曲模量达到216GPa，较 M40/AZ91D复合材料分别提高了24.7%和6.4%。

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