碳纤维增强钛基复合材料的界面与性能研究

发布时间：2017-05-19 05:14

  本文关键词：碳纤维增强钛基复合材料的界面与性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着当代高新技术对材料高性能的需求愈加迫切,综合性能优异的钛基复合材料材料得到很好的发展,它高比强度、比刚度、优良的耐腐蚀性和高温抗蠕变性等特点,存在巨大的研究和应用潜力。C-Ti反应体系成本低,原位生成的TiC增强相熔点高,与钛兼容性良好,可大大提高基体性能。现有研究多集中于TiC颗粒增强钛基合金,而利用碳纤维的单向有序形态,原位生成碳化钛纤维增强钛材料是一种新的研究方向。已有研究者制备TiC短纤维增韧钛基复合材料,成功改善了材料性能。若能通过合成TiC纤维或TiC类纤维结构,增强基体材料性能,将对降低纤维增强钛基复合材料的制备成本、生产周期以及增强钛材料性能有重要意义。本文基于以碳纤维作为导向合成碳化钛纤维增强材料的研究构想,采用氩气保护常压烧结的制备方法,制备α-Ti与碳纤维复合材料样品,使用扫描电子显微观察分析、成分分析、物相分析等方法,研究主要结果如下:(1)在C纤维和纯Ti混合烧结过程中,反应扩散生成TiC,形成TiC类纤维体:(1)纤维表层高活性C与钛基体界面生成TiC;(2)C纤维局部C原子向基体扩散为主生成TiC层;(3)碳纤维致密结构破坏,C原子和Ti原子通过TiC富集区相互扩散,最终使碳纤维转化成TiC的类纤维体。(2)温度升高,反应深度增加,CF表面的TiC壳层发生变化:附着的TiC细小颗粒层→疏松花絮状TiC→致密光滑的TiC壳层→具有显著颗粒构成的不均匀TiC壳层→TiC类纤维体。1500℃烧结TiC颗粒粗大化倾向增大,TiC壳层厚度不均匀,甚至无法构成环形壳层就与类纤维TiC或TiC成片区域“焊合”。类纤维状TiC生长成“片层”的TiC富集区,1350℃、1450℃、1500℃下烧结的试样的TiC富集区的宽度分别约为15μm、20μm、35μm。(3)与纤维铺层相比,碳纤维球磨或短切与钛粉混合,在较低温度下烧结便可使碳纤维彻底转化,分别生成均匀弥散分布的粒状TiC、类短纤维状TiC。(4)碳纤维镀镍提高了纤维与钛基体的结合效果,减少了间隙缺陷。烧结初期,镀镍层阻碍Ti/C原子的扩散反应,当达到一定烧结温度和烧结时间后,镀层大大消耗,碳纤维发生再结晶,纤维致密结构严重破坏,促进了C对外扩散及Ti、Ni向其内部扩散填补空穴生成TiC。升高温度,碳纤维内部疏松杂乱严重,反应剧烈,纤维表面生成的“TiC层”的TiC颗粒粗大化。
【关键词】：α-Ti 碳纤维 TiC纤维 烧结 镀镍
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB333
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-21
• 1.1 课题的研究背景及意义8-9
• 1.2 钛、钛合金及钛基复合材料概述9-14
• 1.2.1 钛及钛合金概述9-10
• 1.2.2 钛及钛合金的研究与应用10-12
• 1.2.3 钛基复合材料的研究与应用12-14
• 1.3 碳纤维概述14-19
• 1.3.1 碳纤维的制备14-15
• 1.3.2 碳纤维的结构与表面改性15-17
• 1.3.3 常见几种碳纤维增强复合材料17-19
• 1.4 碳纤维增强钛基复合材料探究19-20
• 1.5 本文的研究内容20-21
• 第二章 实验内容与方案21-28
• 2.1 引言21
• 2.2 实验材料21-22
• 2.3 制样设备22-24
• 2.3.1 模具22-23
• 2.3.2 压型与烧结设备23-24
• 2.4 实验方法24-28
• 2.4.1 实验工艺流程24
• 2.4.2 压型与烧结24-26
• 2.4.3 成分与形貌分析实验26-27
• 2.4.4 金相实验27
• 2.4.5 性能检测27-28
• 第三章 碳纤维增强纯钛的实验研究28-39
• 3.1 Ti-C体系的热力学与TiC的生长28-30
• 3.1.1 Ti-C体系的热力学条件28-29
• 3.1.2 TiC的生长与形态29-30
• 3.2 反应机理30
• 3.3 成分与物相分析30-32
• 3.4 不同烧结温度下的产物与形貌演变32-38
• 3.4.1 截面产物与形貌演变32-35
• 3.4.2 纵向产物与形貌演变35-38
• 3.5 小结38-39
• 第四章 工艺参数对样品组织与性能的影响39-45
• 4.1 不同纤维形态下的TiC形成39
• 4.2 不同烧结温度下的组织形态39-41
• 4.3 复合材料样品的性能41-44
• 4.3.1 致密度检测41-43
• 4.3.2 显微硬度检测43-44
• 4.4 小结44-45
• 第五章 镀镍碳纤维增强纯钛复合材料的制备45-52
• 5.1 碳纤维镀镍工艺45-46
• 5.2 反应机理研究46-47
• 5.3 产物与形貌分析47-49
• 5.3.1 物相分析47-48
• 5.3.2 成分与形貌分析48-49
• 5.4 镀镍层对TiC合成的影响分析49-51
• 5.4.1 组织与形态分析49-50
• 5.4.2 镀镍层对TiC合成的影响分析50-51
• 5.5 小结51-52
• 第六章 结论52-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-60
• 作者简介60
• 攻读硕士学位期间研究成果60

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