碳纤维增强镁基复合材料

近年来航空、航天、汽车领域对开发超轻、高硬度、高强度的超级材料的需求越来越大。由于高阻尼材料在控制噪音和增强交通工具以及设备的稳定性方面效果显著,而镁合金在所有的商用金属材料中具有最出色的吸振性能,因此,镁及镁合金吸引了越来越多的研究人员的兴趣。

镁的密度低、比强度和比模量高、导热性能好、阻尼减震性能优良,在地壳表层金属矿藏、盐水湖和海洋中储量丰富,是现代高科技领域中最具发展潜力的材料之一。然而,镁合金的耐腐蚀性能差、耐磨性能差、高温性能差、抗蠕变性能差、强度不高,这些缺陷限制镁合金的进一步应用。

因此,研究人员开始寻求一种同时具有良好的力学性能和减震性能的新材料,镁基复合材料成为最佳选择之一。通过采用增强体进行设计,可以有效改善镁合金的性能,制备得到的镁基复合材料可呈现出任一组元所不具备的优异性能,如高比刚度、比强度,良好的尺寸稳定性和出色的减震性能。此外,镁基复合材料还具有电磁屏蔽和储氢特性等,是一种优秀的结构和功能材料,也是当今高新技术领域中应用潜力巨大的复合材料之一。

自 20世纪 80年代末开展镁基复合材料研究以来,镁基复合材料已成为继铝基复合材料之后的又一具有广阔应用前景和竞争力的轻金属基复合材料,在航空航天、汽车、电子和运输工业等领域获得到了越来越广泛的应用。

按照增强体种类不同,镁基复合材料可以分为颗粒增强、晶须增强、短纤维增强、碳纳米管增强、非连续纤维增强以及连续纤维增强镁基复合材料。

Cf/Mg复合材料及其性能优势

碳纤维增强镁基(Cf/Mg)复合材料是以镁或镁合金为基体,使用碳纤维进行增强,制备得到的一种具有高比强度、高比模量和良好热稳定性的金属基复合材料。Cf/Mg复合材料具有很高的比强度、比刚度和良好的阻尼减振性能、热电传导性能、热稳定性。该材料质量轻、结构效率高、尺寸稳定性好,能满足航天结构材料的要求,是宇航、兵器、电子等高新技术产业的理想材料。

相比于其他金属材料或碳纤维树脂基复合材料,Cf/Mg复合材料具有以下优点:

1. 密度低

镁合金是常用工程类金属中密度最小的合金,相比于其他常用的合金,如铁、铜、锌、镍、钛、铝等合金,镁合金拥有更低的密度和更高的比强度,由其作为基体合金制备的复合材料较采用其他合金基体的复合材料拥有更低的密度。表 1为 50%体积分数的碳纤维分别与不同合金复合,经计算获得的碳纤维复合材料的密度,其中 Cf/Mg 复合材料的密度远远低于其他金属基碳纤维复合材料的密度,略高于树脂基复合材料,这一优点使得在保证金属特性的前提下,大大的降低了整体金属基复合材料的密度。

表1 基于不同种类基体的碳纤维复合材料的密度

相较碳纤维树脂基复合材料,密度大一直是碳纤维金属基复合材料的软肋,而 Cf/Mg 复合材料的低密度使得其在减重方面的优势变得和树脂基碳纤维复合材料一样突出。

2. 高比强度、比模量

Cf/Mg 复合材料是由碳纤维和镁复合而成的复合材料,其中力学性能优异碳纤维是复合材料中的主要受力体,镁合金作为基体合金主要起连接碳纤维和传递载荷的作用。由于碳纤维优异的高比强度、高比模量,因此可以赋予Cf/Mg 复合材料同样的高比强度和模量特性。

3. 导热、导电性

碳纤维拥有良好的导电导热性,纤维的石墨化程度越高,其导电导热性能越好,以日本东丽公司碳纤维产品为例,东丽T300级高强中模碳纤维的热导率为 6.5W/(m*K),而M55J级高强高模碳纤维热导率更是高达150W/(m*K)。表2为不同材料的热导率,通过对比发现,M55J级高强高模碳纤维热导率与部分金属相比已呈现出一定优势,而且与镁热导率相近。

表2 不同材料的热导率

4. 膨胀系数低

碳纤维在沿纤维方向上有极低的热膨胀系数,其轴向热膨胀系数为负值,因此,在镁基体中加入一定来碳纤维不仅能够大幅度提高材料的强度和模量,同时也能够明显降低材料的热膨胀系数。

就比模量和热稳定性而言,高强高模碳纤维增强镁基复合材料是各种材料中最高的一种。当高强高模碳纤维含量达到50%左右,碳纤维增强镁复合材料的热膨胀系数几乎为零。

5. 性能稳定、加工精度高

与树脂基碳纤维复合材料相比,C/Mg 复合材料不存在老化、分解、吸潮的问题,也不会发生性能的自然退化,抗疲劳性能高,在空间使用也不会分解出低分子物质污染仪器和环境。

碳纤维树脂基复合材料由于树脂退刀的作用,使得材料的加工精度不高,而在 Cf/Mg复合材料中,由于合金刚度的存在,使得其加工精度远高于树脂基碳纤维复合材料,改变了碳纤维复合材料在尺寸精度要求较高场合受限的局面,使得碳纤维复合材料适用于精度要求较高场合。

Cf/Mg复合材料的制备方法

Cf/Mg复合材料制备工艺的选取恰当与否,在一定程度上决定了复合材料的性能、结构特点、应用范围和前景。目前,常用的Cf/Mg复合材料制备工艺主要包括粉末冶金法、 液态浸渗法和搅拌铸造法等,大部分还是较传统的制备方法。

1.粉末冶金法

粉末冶金法是利用粉末冶金原理,将基体粉末与增强纤维按设计要求的比例进行机械混合,然后压坯、烧结或直接把混合料进行热压、热轧、热挤成型来制备镁基复合材料的方法。粉末冶金法制备镁基复合材料的优点主要在于制备过程中基体纯镁或者镁合金不必经过全熔的高温状态,因而能避免铸造法带来的诸如镁合金强烈氧化,基体与增强体界面处发生严重反应等问题,此外纤维在基体内分布均匀,使镁基复合材料具有更好的综合力学性能。

粉末冶金法另一个优势在于其对增强体类型没有限制,可改变增强物与基体的配比,制得高体积分数增强相的镁基复合材料。但是粉末冶金工艺制造成本较高,生产设备复杂,制造太大尺寸的坯件和零件有困难。因此粉末冶金法较多的应用于实验室研究中,在实际生产中难以获得广泛应用。

2.液态浸渗法

液态浸渗法又称熔体浸渗法,是在一定条件下将液态金属浸渗到增强材料多孔预制件的孔隙中,凝固获得复合材料的制备方法。液态金属浸渗时有无外部压力,常用的可分为无压浸渗、压力浸渗、真空浸渗和真空压力浸渍。

2.1 压力浸渗法

压力浸渗又称挤压铸造法, 是先将增强颗粒做成预制件, 加入液态镁合金后加压使熔融的镁合金浸渗到预制件中,制成复合材料的方法。压力浸渗法的特点是:在高压作用下,液态金属能够较好的渗入纤维预制体中,促进了镁合金熔体与纤维之间的润湿,并且能有效消除复合材料中的微孔、缩孔等缺陷,得到的复合材料组织致密,且具备更优异的力学性能。该方法制备周期短,制件质量较好。其缺点是预制体制备工艺复杂,成本较高。

2.2 无压浸渗法

无压浸渗法是金属熔体在无外界压力作用下,自发浸渗增强体纤维预制件, 制备金属基复合材料的方法。 无压浸渗法具有工艺简单、 成本低廉和增强体的体积可控等优点。但是无压浸渗法需要在相对较高的温度下进行,且浸渗速率较低,工艺成本较高,同时还存在界面反应,微观缺陷较多,降低了材料性能。

2.3 真空压力浸渍法

真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下, 将液态金属压入增强材料制成预制件孔隙中,制备金属基复合材料制品的方法。其特点在于:浸渍在真空中进行和压力下凝固,因此制品无气孔、疏松和缩孔等铸造缺陷,组织致密,复合材料力学性能。此外,该法工艺参数易于控制,可避免严重的界面反应。但其设备较复杂,工艺周期长、效率较低,制备大尺寸零件要求大型设备。 

3.搅拌铸造法

搅拌铸造法是将纤维增强体直接加入到基体金属熔体中,通过搅拌使纤维均匀分散,然后浇铸成锭坯或铸件的方法制造纤维增强镁基复合材料, 常与其它方法结合起来制备复合材料。

搅拌铸造法设备投入少,工艺简单,操作方便,生产成本低,可生产大体积的复合材料,适宜大规模生产。然而,铸态复合材料易形成气孔。因此需对铸态复合材料采取适当后续工艺,如对复合材料进行挤压,可使其气孔率减少,使组织致密,纤维分布更均匀,有助于提高复合材料的力学性能。

Cf/Mg复合材料在航空航天领域应用

相对于发展更为成熟的碳纤维树脂基复合材料,Cf/Mg 复合材料这种轻质高强的金属基复合材料在保持高力学性能的前提下,还具备树脂基复合材料所欠缺的高温性能,低热膨胀性,高尺寸稳定性,导电导热性等等优异的综合性能,具有金属优点的 Cf/Mg复合材料将克服碳纤维复合材料在很多场合的使用限制,因此 Cf/Mg复合材料这一高性能复合材料的成功开发利用对于航空航天等领域有着非常重要的意义

美国航空航天局(NASA)采用Cf/Mg复合材料制作卫星桁架结构、空间动力回收系统构件、空间站撑杆、航天飞机转子发动机壳体、空间反射镜架等。

哈勃太空望远镜的部分构件采用Cf/Mg复合材料;美国金属基铸造复合材料公司制备了连续和非连续高强高模碳纤维增强镁基复合材料,并将其应用于大气层外杀伤飞行器(EKV)的反射镜镜架和测量用构件中。

Cf/Mg复合材料性能的影响因素

增强体均匀分布、界面结合良好、基体晶粒细小是Cf/Mg复合材料具有优良性能的前提。Cf/Mg复合材料性能影响因素具体在于以下几个方面:

1.增强碳纤维性能

碳纤维作为 Cf/Mg 复合材料的增强体,在材料承载过程中是主要的受力体,碳纤维提供的性能高低直接影响复合材料的性能。碳纤维的高温抗氧化性较差,表现为明显的氧化失重和碳纤维力学性能降低。碳纤维和镁复合时,含有碳纤维的预制件一般预热温度会超过 500℃,浸渗时实际镁熔体温度也不会低于熔点(660℃),这一阶段很容易造成无保护纤维因氧化失重导致性能下降。

针对碳纤维因氧化失重造成的性能下降,碳纤维表面涂覆陶瓷涂层可以有效的解决这一问题,耐热陶瓷涂层能够阻止碳纤维和氧气的接触,起到保护碳纤维的作用。 陶瓷涂层主要分为氧化物涂层、碳化物涂层和氮化物涂层三类。

2.碳纤维/镁基体间界面

碳纤维与镁基体之间的界面问题可直接影响Cf/Mg复合材料性能,因为碳纤维和镁基体的润湿性差。Cf/Mg复合材料的增强体表面改性是界面优化最有效的途径之一,具体方法有碳纤维表面氧化、氟酸盐改性和涂层处理。涂层的引入改变界面的原始结合状态,可以有效地阻止过度的界面反应或者适当地增加界面化学反应,改善界面润湿性,提高界面的结合强度,从而提高复合材料的塑性成形能力。

结束语

通过Cf/Mg复合材料制备工艺对比分析可以发现,使用不同制备工艺大部分均可获得性能较为优良的复合材料,但是生产设备复杂、 成本高是制约制备工艺获得推广的关键因素。 而且Cf/Mg复合材料的研究中仍存在一些问题,如:纤维与基体结合不良好,复合材料有夹杂和气孔存在等,均会降低复合材料力学性能。

目前,美国等国开发的Cf/Mg复合材料已经在航空航天领域获得广泛应用,国内只有少数科研单位在该领域开展基础研究,从实验室到规模化生产还有很长一段路要走。但是,碳纤维增强镁基复合材料性能优异,尤其是以高强高模碳纤维为增强体,制备的Cf/Mg复合材料性能最为优异,且热膨胀系数几乎为零,在人造卫星无线骨架、支撑架、反射镜和空间站构架等领域已获得关键应用,成为航天领域理想的结构材料,结构效率最高,因此势必成为未来发展的热点材料之一。