表面修饰的碳纤维强韧化Ni3Si基复合材料的研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shuang901014
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金属间化合物Ni3Si具有较高的强度、优异的抗氧化性能、耐腐蚀(尤其是耐硫酸与二氧化硫的腐蚀)、反温度/强度效应、且最高使用温度可达到1290K,因此可以作为一种新型的高温结构材料应用于航空航天、汽车、化工等高温和具有腐蚀性的环境中。但Ni3Si存在室温脆性大的问题,在很大程度上限制了它作为结构材料的实际应用,本文通过溶胶凝胶法与电镀法对短碳纤维表面改性,并引入到Ni3Si基体中来提高材料的强韧性。通过分析材料的组织结构、界面、力学性能等,明确碳纤维的含量、表面修饰方法对复合材料性能的影响,分析碳纤维对Ni3Si基复合材料的强韧化机理。得到以下结论:1、短碳纤维经浓HNO3酸洗30min,表面出现较浅的沟痕,碳纤维表面粗糙度增加,活性和亲水性增加,在溶液中易分散且不破坏碳纤维自身的结构与性能。2、通过电镀法在碳纤维表面可以得到均匀、致密的镀铜层,电镀法参数为电压2V,沉积时间30min。3、将酸洗后的碳纤维使用硅烷偶联剂(KH-792)处理,在Al OOH胶体中按1:3的比例加入聚乙烯醇(PVA),对比包覆次数对包覆效果的影响,发现经一次包覆煅烧后,碳纤维表面包覆层平均约为0.2μm;经过两次包覆后煅烧,碳纤维表面可以得到连续完整的厚度平均约为0.44μm的氧化铝包覆层。4、经对比表面镀铜、一次包覆氧化铝、两次包覆氧化铝等3种方法处理的Cf加入Ni3Si基体经热压烧结法制备的体积分数为10%Cf/Ni3Si基复合材料的组织与性能。发现表面未修饰的碳纤维损毁严重,表面经修饰的碳纤维保存较为完整,且与基体界面平整,包覆层对碳纤维起到了较好的保护作用,有效抑制了界面反应。表面经修饰的碳纤维对Ni3Si基复合材料起到了强韧化的作用,其中碳纤维未修饰的复合材料弯曲强度仅为342.99Mpa,包覆一次试样的弯曲强度为408.64Mpa,包覆两次试样的弯曲强度为431.24Mpa,镀铜处理试样的弯曲强度为484.44Mpa。由此可见,经两次包覆的碳纤维能更好地起到强韧化基体的效果;在室温下表面镀铜碳纤维对Ni3Si基复合材料的强韧化效果较好。5、通过研究经两次包覆氧化铝的碳纤维含量对Cf/Ni3Si基复合材料组织与性能的影响,发现在Cf体积分数小于10%的范围内,Cf/Ni3Si复合材料的硬度、弯曲强度随着碳纤维含量的上升主要表现出上升的趋势,当Cf体积分数由3%增加到8%时,复合材料的弯曲强度由235.98Mpa上升为524.02Mpa。碳纤维含量的增加对复合材料的性能提升有非常显著的效果。6、经热压烧结法制备的碳纤维强韧化Ni3Si基复合材料的致密度均较低,材料的致密度对材料的整体性能会产生较大的影响,因此今后的工作需要进一步研究与改善Cf/Ni3Si复合材料的烧结工艺。
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