真空吸渗挤压Cf_Mg复合材料损伤研究及异形件制备

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：真空吸渗挤压Cf/Mg复合材料损伤研究及异形件制备作者：鞠录岩学科专业：机械制造及其自动化指导教师：齐乐华（教授）2017年11月Title:DamagestudyandfabricationtechnologyofCf/Mgcompositepartbyliquid-solidextrusionfollowingvacuuminfiltrationtechniqueByJuLu-yanUndertheSupervisionofProfessorQiLe-huaADissertationSubmittedtoNor

2、thwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechanicalmanufacturingandautomationXi’anP.R.ChinaNovember2017摘要1摘要连续碳纤维增强镁基（Cf/Mg）复合材料具有高强度、高模量、低热膨胀系数等优异性能，成为轻量化、高性能结构材料中的有力竞争者。但是碳纤维和基体镁合金之间润湿困难的特性也给其制备带来了很大的困难。同时Cf/Mg复合材料中基体与增强体的同时存在使得其损伤

3、、破坏过程变的异常复杂。这些制备工艺与损伤研究不足的因素严重制约着Cf/Mg复合材料的大规模商业应用。本文以Cf/Mg复合材料损伤研究及异形件制备为目标。根据不同的损伤形式，设计了相应实验方案，并通过对Cf/Mg复合材料力学性能、微观组织以及断口形貌的实验研究揭示了Cf/Mg复合材料的渐进损伤、疲劳损伤以及开孔损伤等不同损伤形式下的损伤演变和失效机理。以此为基础，开展了轻质、高强Cf/Mg复合材料异形结构件制备技术研究，提出了Cf/Mg复合材料异形件真空吸渗挤压工艺流程，建立了合理的工艺参数范围，成功制备出轻质、高强Cf/Mg复合材料异形结构件。主要研究内容

4、如下：（1）揭示了预制体结构与Cf/Mg复合材料力学性能的内在关系。采用真空吸渗挤压工艺制备了4种不同预制体增强的Cf/Mg复合材料，分析了不同预制体增强复合材料中纤维束的受力状态及不同预制体结构对复合材料拉伸性能与压缩性的影响。对比分析发现，无纬布正交叠层增强效果最好，抗拉强度与弹性模量分别比基体合金提高了约180%和85%；XY向抗压强度比基体合金提高了110%。同时，结合断口形貌的SEM照片探讨了不同预制体增强Cf/Mg复合材料的失效机理，确立了增强效果最好的无纬布正交叠层为研究对象，为后续损伤研究奠定了基础。（2）揭示了渐进加载过程中Cf/Mg复合材

5、料的损伤机理，得出了刚度与残余应变的变化规律。首次采用渐进加载的实验方法分析了Cf/Mg复合材料在外载荷增大情况下的损伤演变。利用光学显微镜和SEM对复合材料的微观组织和断口形貌进行观察，对其失效机制进行了分析。研究发现在渐进载荷的作用下Cf/Mg复合材料会表现一种“假塑性”，造成其应力-应变曲线出现非线性特征。在渐进加载过程中Cf/Mg复合材料会因基体合金承载能力受到破坏和增强纤维承载能力受到破坏而出现两次明显的损伤过程。（3）开展了Cf/Mg复合材料疲劳损伤研究，揭示了其“疲劳强化”机理。通过拉-拉疲劳实验绘制了Cf/Mg复合材料的S-N曲线，研究了Cf

6、/Mg复合材料在不同循环次数和不同应力水平下的疲劳损伤行为，分析了不同疲劳载荷作用下断口形貌的变化规律。研究发现Cf/Mg复合材料的疲劳寿命极限介于静拉伸强度的65%-70%之间，约250-270MPa，Cf/Mg复合材料表现出较强的抗疲劳能力。随着循环次数和应力水平的增加1本研究得到国家“863”计划课题（编号2012AA8011004B、2013AA8011004B、2014AA8011004B、2015AA8011004B）及西北工业大学博士论文创新基金（编号CX201419）的资助I西北工业大学博士学位论文Cf/Mg复合材料的剩余强度呈现增加趋势，而

7、且疲劳载荷会造成Cf/Mg复合材料界面损伤，随着循环次数和应力水平的增加断口处纤维拔出数量呈现增加趋势。（4）通过对Cf/Mg复合材料开孔损伤研究，得出了开孔直径对Cf/Mg复合材料力学性能的影响规律。在实验研究的基础上，针对工程实际中最常见的圆形孔进行开孔损伤分析，研究了Cf/Mg复合材料的切口敏感性、开孔复合材料裂纹扩展机理以及失效机理。研究发现Cf/Mg复合材料对开孔造成的应力集中敏感度不高，但是开孔后会在孔表面形成一个加工缺陷层。在受载时裂纹会在加工缺陷的基础上进行扩展，从而造成复合材料拉伸性能下降，随着开孔直径的变大，复合材料的极限抗拉强度、弹性模

8、量逐渐降低，断裂应变增大。（5）提出了Cf/Mg复合