深冷处理工艺对2.5D-C_f_Al复合材料微观组织与力学性能的影响

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1、学校代码：10406分类号：TB333学号：160308523203南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）深冷处理工艺对2.5D-Cf/Al复合材料微观组织与力学性能的影响硕士研究生：姜小坤导师：余欢教授申请学位级别：硕士学科、专业：航空工程所在单位：航空制造工程学院答辩日期：2018年12月授予学位单位：南昌航空大学EffectofCryogenicTreatmentonMicrostructureandMechanicalPropertiesof2.5D-Cf/AlCompositesADissertationSubmittedforth

2、eDegreeofMasterOnAeronauticalEngineeringbyJiangXiaokunUndertheSupervisionofProf.YuHuanSchoolofAeronauticalManufacturingEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaDecember,2018摘要三维编织碳纤维增强铝基复合材料具有质量轻、较优良的耐温性、高的比刚度和比强度、耐腐蚀性、抗冲击及抗损伤性好等优点，同时三维编织结构避免了传统单向复合材料的各向异性以及二维复合材料易

3、开裂分层、层间剪切强度低、抗冲击性能差的问题，是现如今航空航天及国防等尖端工程技术领域最具发展潜力的结构材料之一，2.5D织物复合材料作为三维编织复合材料领域的一个分支，同3D复合材料一样，其研究和应用也越来越受到重视。近些年来，人们从增强体材料、制备工艺以及复合材料的后处理等方面进行了大量的研究，以求获得性能更为优良的复合材料。本文主要研究后续深冷处理对2.5D-Cf/Al复合材料微观组织以及力学性能的影响。本文选用碳纤维作为增强体，选取ZL301铝合金作为基体材料，采用真空压力浸渗法制备了体积分数为49%的2.5D-Cf/Al复合材料。主要进

4、行了2.5D-Cf/Al复合材料的深冷处理工艺研究，并对深冷处理后复合材料的致密度、显微组织、元素分布与相组成、残余应力和拉伸性能等进行测试表征，着重研究深冷降温速率与深冷处理时间对2.5D-Cf/Al复合材料微观组织和力学性能的影响，并对其深冷作用机理进行了初步探讨。取得以下研究成果：铸态条件下2.5D-Cf/Al复合材料基体侧残余应力为77.6MPa的拉应力，经深冷处理后复合材料的基体侧残余应力降低并最终转化为残余压应力，且随着深冷降温速率的减慢，残余应力呈现出先下降又上升的趋势，在降温速率为10℃/min时残余应力释放最彻底，为-41Mpa

5、。而随着深冷处理时间的延长，残余应力继续降低最终发生了残余应力状态的改变，即基体由受拉应力转化为受压应力，与此同时，增强相由受压应力转化为受拉应力。当深冷处理时间进一步延长至48h时，残余应力值浮动较小，说明再延长深冷处理时间对残余应力的释放效果不再显著。深冷处理显著提升2.5D-Cf/Al复合材料的致密度和拉伸强度。随着深冷降温速率的减慢，复合材料的拉伸强度先提高再降低，但不同深冷降温速率之间复合材料的致密度相差很小。10℃/min降温速率深冷处理的复合材料的致密度达到最大值96.33%，此时拉伸强度也达到峰值475MPa,相比铸态提高了16.

6、42%，此状态下复合材料断口中较多纤维拔出，属于典型的韧性断口。深冷处理后复合材料的弹性模量相对铸态下都有不同程度的降低，但不同冷速之间弹性模量差别很小。随着深冷处理时间的不断延长，2.5D-Cf/Al复合材料的拉伸强度呈现出一个先增后减的规律，经32h深冷处理后拉伸强度达到最高。16h较短时间的深冷处I理后2.5D-Cf/Al复合材料的弹性模量几乎无变化，经32h的深冷处理后弹性模量发生了一定程度的降低，而经过48h较长时间的深冷处理后，复合材料的弹性模量得以提升且达到最大值91.4Gpa，相较于铸态下提高了6.8%。深冷处理改善了2.5D-C

7、f/Al复合材料的纤维偏聚和浸渗微缺陷，提高复合材料致密度，使受挤压变形的纤维恢复圆润。且随着深冷处理时间的延长，复合材料组织缺陷愈少，致密度更高，纤维更加圆润。经深冷处理32h后，复合材料中已无浸渗缺陷，致密度达到最高95.73%，继续延长深冷处理时间至48h复合材料显微组织和致密度已无明显的提高。综合以上对2.5D-Cf/Al复合材料微观组织、致密度、残余应力、物相以及力学性能的分析，得出2.5D-Cf/Al复合材料深冷处理最优工艺参数为：深冷降温速率10℃/min、保温时间32h、深冷温度-190℃。关键词：深冷处理降温速率，深冷处理时间，

8、2.5D-Cf/Al复合材料，残余应力，微观组织，力学性能，真空压力浸渗IIAbstractThethree-dimensionalwo