铸轧Cf/Al复合材料板带界面结构与性能演变机理研究

The study is to prepare carbon fiber reinforced aluminum（Cf/Al）composites plate by using cast-rolling short flow forming technology. By means of rolling force, improve the wettability between the aluminum liquid and the fiber, improve the interface bonding strength and the mechanical properties of Cf/Al composites. The multi-field couple analysis model of the liquid/semisolid matrix and continuous carbon fiber under cast-rolling process is established, to study the flow behavior, solidification and plastic forming of the matrix. Influence law of cast-rolling forming parameters on the wettability between strengthen phase and matrix phase and the formability are researched. Microstructure，interface structure and mechanical property evolution law are researched to explore the effect mechanism of interface product and thermal mismatch stress on composites mechanics performance. Finally it is realized that the elastic modulus of matrix phase is consistent with that of reinforcing phase and interface phase, and gain the high quality production of Cf/Al composites with well interfacial bonding and fiber homogenously distributed.

本研究旨在采用铸轧短流程控制成形技术制备碳纤维增强铝基（Cf/Al）复合材料板带，借助于铸轧力来改善碳纤维与铝基体之间的浸润性，提高界面结合强度和Cf/Al复合材料的综合力学性能。建立液态/半固态基体与连续纤维在铸轧状态下的多场耦合分析模型，探究铸轧过程中基体的流动行为、凝固和塑性成形等规律；系统研究铸轧成形关键工艺参数对增强相与基体相的浸润性和成形性的影响；探究碳纤维增强铝基复合材料的微观组织、界面结构与力学性能的演变规律，揭示界面产物、热错配应力对复合材料力学性能影响机制；最终实现基体相、增强相与界面相之间弹性模量的协同，获得基体与纤维之间界面结合良好、纤维分布均匀的高性能Cf/Al复合材料。

连续碳纤维增强铝基（Cf/Al）复合材料具有轻质、高强、高模量、热膨胀系数小、耐腐蚀等优异的综合性能，在军事、国防、航空航天等领域具有广阔的应用前景，是目前结构轻量化新材料研究的重点和热点之一。Cf/Al复合材料制备技术难点是碳纤维与基体之间浸润性差，界面结合强度不高，实际制备中需要考虑金属基体和增强相之间的物理与化学相容性，控制复合材料基体与增强相的界面反应。目前常用的制备工艺仍存在工艺复杂、生产效率低、纤维强度受损严重导致增强效果差等问题。. 本项目采用铸轧短流程控制成形技术制备Cf/Al复合材料板带，借助于铸轧力来改善碳纤维与铝基体之间的浸润性，提高界面结合强度和Cf/Al复合材料的综合力学性能。建立了液态/半固态基体与连续纤维在铸轧状态下的多场耦合分析模型，探究了铸轧过程中基体的流动行为、凝固和塑性成形等规律；系统研究了铸轧成形关键工艺参数对增强相与基体相的浸润性和成形性的影响；研究了碳纤维增强铝基复合材料的微观组织、界面结构与力学性能的演变规律，揭示了界面产物对复合材料力学性能影响机制，成功开发了短流程连续纤维增强金属基复合材料制备工艺，具有生产效率高、工艺简单、成本低的显著优势。成功制备出了基体与纤维之间界面结合良好、纤维分布均匀的高性能Cf/Al复合材料板带产品，其抗拉强度比纯铝基体提高一倍以上，具有广阔应用前景。. 基于本项目的研究结果，课题组在国内外重要期刊上共发表论文16篇，其中被SCI收录6篇，EI收录5篇；申请发明专利4项，申请实用新型13项，已授权实用新型11项。