液态挤压浸渗制备3D-Cf/Al复合材料及其纤维增强机制研究

There are many preparation problems of three dimensional(3D) Cf/Al composite prepared by liquid extrusion infiltration, such as infiltration law is fuzzy, coupling relationship of parameters is not clear, and fiber reinforcement mechanism should be explored and carried out deep research. This project will study the infiltration process, parameter matching rule and fiber reinforcement mechanism of the 3D-Cf/Al prepared by liquid extrusion infiltration deeply. Based on the technique of liquid extrusion infiltration, mechanical model of molten aluminum alloy for infiltration into 3D carbon fiber preform will be established, and then infiltration law of the composites will be obtained, by ways of the numerical simulation and experimental study. Preparation process parameter sensitivity evaluation model of composite will be established, and then coupling effect model of infiltration process parameters, microstructure and mechanical properties will be studied and obtained. Meanwhile, parameter matching rule for the preparation of this kind of composite will be optimized. Fiber reinforcement mechanics model of composite under tensile and compression loads will be studied and obtained, which will be combined with the numerical simulation and experimental study. This will reveal the material damage evolution and failure mechanism. Through research, it will enrich infiltration forming mechanism and failure mechanism theory of Cf/Al composite eventually, and will give effective theoretical guidance of the stability and optimization for the liquid extrusion infiltration technique. Finally, this will lay theoretical and experimental basis for promoting the application of 3D-Cf/Al composite in aerospace.

针对液态挤压浸渗法制备理想组织性能3D-Cf/Al复合材料存在的浸渗规律不够清晰、参数耦合作用关系不明确、纤维增强机制有待深入探讨等问题，本课题对该类复合材料的浸渗过程、参数匹配规律以及纤维增强作用规律等开展深入研究。基于液态挤压浸渗工艺，建立铝合金液在3D碳纤维预制体浸渗力学模型，并与数值模拟、试验研究相结合，研究获得复合材料的浸渗规律。建立复合材料制备工艺参数灵敏度评价模型，以及工艺参数—浸渗组织—力学性能耦合作用关系模型，最终优化获得制备该类复合材料的工艺参数匹配规律。建立复合材料在受到拉伸和压缩等载荷作用时的承载和失效力学模型，并结合数值模拟和实验研究，揭示它的承载力学模型、材料损伤演化过程、破坏机制等。通过研究，最终丰富充实Cf/Al复合材料浸渗成型和失效机制理论，也为该工艺稳定和优化积累有效经验，并为促进3D-Cf/Al复合材料在航空航天等领域的应用奠定理论和试验基础。

本项目以采用液态挤压浸渗工艺成型碳纤维复合材料为研究对象，对制备过程中关键科学问题进行深入研究，以期获得基体在碳纤维预制体中的浸渗规律、工艺参数影响规律和纤维增强作用规律等，为该工艺和该类复合材料推广应用打下基础。项目在以下方面取得了重要进展：提出了液态挤压浸渗碳纤维复合材料的总体方案，构建出工艺试验系统，根据课题研究的需要，并对液态挤压浸渗工艺进行改进完善，又分别采用改进型模压成型、真空浸渗热压等工艺制备碳纤维复合材料，最终确定较为理想的真空浸渗热压工艺试验方案，并采用该试验方案制备出多种碳纤维复合材料，建立了基体在碳纤维中的浸渗静力学和动力学模型，计算了临界浸渗压力值，通过试验验证了其正确性。研究得到了挤压温度、时间、压力等液态挤压浸渗关键工艺参数对制备碳纤维复合材料的影响规律，对制备过程中的复合材料典型缺陷产生机制进行了深入分析研究，并给出了减少缺陷的有效措施，进而有利于得到浸渗效果充分均匀、缺陷得到有效控制的碳纤维复合材料。对所制备的碳纤维复合材料中碳纤维传递载荷、承载和失效行为进行了较为深入研究，获得了制备高性能碳纤维复合材料的碳纤维分布形式，制备出的碳纤维复合材料力学性能与基体相比得到大幅度提升,弯曲强度达到1000MPa。通过该项目研究，完善了液态挤压浸渗碳纤维复合材料浸渗和成型工艺理论，获得了关键工艺参数影响规律，得到了碳纤维的增强作用规律，最终制备出了组织性能较为理想的碳纤维复合材料，这就为该工艺和该类复合材料的应用打下了基础。项目负责人带领项目成员，以第一作者在国内外重要学术期刊上发表录用论文18篇，其中英文SCI论文15篇，国内《复合材料学报》等重要中文期刊论文3篇。申请国家发明专利4项，已授权3项。获得2019年中国国际微纳技术暨复合材料创新发展论坛（西安）优秀论文奖1篇，2019年陕西省青年科学家大会优秀论文一等奖1篇，2020年西安市第十八届自然科学优秀学术论文三等奖1篇。