表面改性碳纤维增强铜基复合材料的制备与表征

发布时间：2017-09-05 04:13

  本文关键词：表面改性碳纤维增强铜基复合材料的制备与表征

  更多相关文章： 短碳纤维 镀铜 单丝拉伸 力学性能 摩擦学性能

【摘要】：近年来,碳纤维增强铜基复合材料(C_f/Cu复合材料)因其具有好的导电、导热性和减摩、耐磨性以及低的热膨胀系数,成为了碳纤维增强金属基复合材料中十分重要的一类。但是,碳纤维与铜基体的润湿性差,结合力弱,大大影响了碳纤维增强铜基复合材料性能的发挥。因此改善碳纤维与铜基体之间的结合,制备性能更加优异的C_f/Cu复合材料并对其在力学性能和摩擦学性能等方面进行研究也成为了C_f/Cu复合材料的重要工作。由于碳纤维与铜粉在混料过程中很容易发生团聚,影响了复合材料的性能,提高碳纤维在基体中的均匀分散程度在研究碳纤维增强铜基复合材料中具有重要意义。为了制备能够在Cu基体中分散均匀的大体积分数的C_f/Cu复合材料,本文首先采用了电化学法在短碳纤维表面进行了镀铜处理,再对碳纤维原丝和镀铜碳纤维进行单丝拉伸和原位拉伸试验,考察碳纤维与Cu的结合强度及观察其断裂过程,并制备添加了不同体积分数碳纤维的C_f/Cu复合材料,研究碳纤维的添加量对复合材料硬度的影响,并与纯铜在力学性能和摩擦学性能上比较二者的差异。得到以下结论:第一,采用电化学法,用平行铜片做阴极代替长碳纤维束,得到镀层均匀光洁的镀铜短碳纤维,对碳纤维原丝和镀铜碳纤维进行单丝拉伸试验测定其强度,结果表明,镀铜碳纤维拉伸载荷-位移曲线上出现了较大幅度的波动,这与其表面镀铜层受力时发生不连续断裂有关;而且与原丝强度相比,强度并没有提高,说明碳纤维与铜之间仍然是机械结合。第二,分别对2 V,3 V,4 V,5 V,30 min条件下制备的镀铜碳纤维采用热压烧结法制备了C_f/Cu复合材料,对应的碳纤维体积分数分别为46 vol%(试样1),31 vol%(试样2),20 vol%(试样3)和18 vol%(试样4),再用Cu粉和未经包覆的碳纤维直接混合再烧结制备C_f/Cu复合材料(试样5)。通过对以上五个试样在组织均匀性、硬度、致密度和力学性能上比较,结果表明,随着碳纤维含量的增加,复合材料的硬度先增大后减小;并且,试样1、2、3、4的性能均优于试样5。第三,初步考察了C_f/Cu复合材料与Si3N4陶瓷球配副时的干摩擦学性能。结果表明,在干摩擦条件下,C_f/Cu复合材料的磨损率略高于纯铜;但摩擦系数比纯铜的低,并且稳定。
【关键词】：短碳纤维 镀铜 单丝拉伸 力学性能 摩擦学性能
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB333
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 引言10
• 1.2 碳纤维概述10-14
• 1.2.1 碳纤维的性质10-11
• 1.2.2 碳纤维的分类11-12
• 1.2.3 碳纤维的发展与应用12-14
• 1.3 金属基复合材料14-17
• 1.3.1 复合材料概论14
• 1.3.2 金属基复合材料概况14-15
• 1.3.3 金属基复合材料的设计原则15-16
• 1.3.4 金属基复合材料的制备工艺16-17
• 1.4 碳纤维增强铜基复合材料17-22
• 1.4.1 碳纤维增强铜基复合材料的发展与研究现状17-19
• 1.4.2 碳纤维增强铜基复合材料的增强机制19
• 1.4.3 碳纤维与铜基体的界面以及碳纤维的表面改性19-21
• 1.4.4 碳纤维增强铜基复合材料的研究方向21-22
• 1.5 本论文的研究意义与主要内容22-23
• 1.5.1 本论文的研究意义22
• 1.5.2 本论文的主要内容22-23
• 第2章 试验材料及试验方法23-27
• 2.1 试验材料23
• 2.2 试验设备23-24
• 2.3 试验方案24-27
• 2.3.1 短碳纤维表面镀铜的试验过程及方法24
• 2.3.2 镀铜碳纤维单丝拉伸和原位拉伸的试验过程及方法24-25
• 2.3.3 C_f/Cu复合材料的制备过程及方法25
• 2.3.4 C_f/Cu复合材料的致密度及力学性能测试25-26
• 2.3.5 C_f/Cu复合材料的摩擦试验过程及方法26-27
• 第3章 结果与分析27-45
• 3.1 碳纤维表面均匀镀铜工艺的研究27-33
• 3.1.1 电化学法镀铜的原理27-29
• 3.1.2 表面镀铜短碳纤维的物相分析29
• 3.1.3 镀铜碳纤维的组织形貌29-30
• 3.1.4 不同工艺参数对镀层质量的影响30-33
• 3.2 镀铜碳纤维的力学性能33-37
• 3.3 短碳纤维增强铜基复合材料37-43
• 3.3.1 C_f/Cu复合材料的物相成分37
• 3.3.2 C_f/Cu复合材料的组织形貌与界面37-40
• 3.3.3 C_f/Cu复合材料的硬度和致密度40
• 3.3.4 C_f/Cu复合材料的断口形貌与强度40-42
• 3.3.5 C_f/Cu复合材料的摩擦学性能42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 结论45-46
• 参考文献46-50
• 致谢50-51
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录51

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本文编号：795738