碳纤维增强金属的柔性受压电铸制造技术研究

In view of the low tensile strength of the electroformed layer, the carbon fiber，which has high strength, is added into it to increase its strength. The carbon fiber is wound on the surface of the cathode with the state of single filament under the condition of flexible compression, which makes the carbon fiber regularly distributed in the electroformed layer. This technique can exert the reinforcement of the carbon fiber to the maximal degree..Centering on the technique of the carbon fiber reinforced electroforming under the condition of flexible compression, the mechanism of the liquid mass transfer during the electroforming will be deeply revealed; the mathematical model of electric field distribution will be established; the technique of accurate control the process of flexible compression will be broken through; the bond strength of fiber-matrix interface and its influence on the tensile strength of the composites will be studied; the way to reduce the porosity of the composites at high carbon fiber volume fraction will be explored, and the carbon fiber reinforced electroformed layer which has significantly higher tensile strength among the similar products will be fabricated.

针对目前电铸层抗拉强度过低的问题，本项目提出将高强度的碳纤维加入其中以提高强度。为使碳纤维在复合电铸层内部有序排列以最大程度发挥其增强作用，本项目在碳纤维柔性受压的条件下使其以单丝形式铺开并有序缠绕于阴极芯模表面，然后电铸成型。围绕提出的碳纤维柔性受压缠绕电铸制造技术，本项目将深入揭示碳纤维柔性受压缠绕电铸过程的液相传质机理，建立碳纤维柔性受压条件下的电场分布数学模型；突破碳纤维柔性受压缠绕的精确控制技术；研究碳纤维-基体界面性能及其对复合电铸层最终抗拉强度的影响；探索降低高碳纤维体积分数下复合电铸层内部高孔隙率的方法；制备具有明显高于国内外同类产品抗拉强度的碳纤维增强复合电铸层。

针对电铸制备的碳纤维增强复合电铸层在高纤维体积分数下由于内部孔隙率过高导致强度较低的问题，本项目提出将碳纤维束在柔性受压的条件下缠绕于阴极表面并电铸成型，显著降低了复合电铸层内部孔隙率，提升了复合电铸层界面结合强度，使得碳纤维在复合电铸层中排列更加有序，更好地发挥了增强作用。.本项目研制了连续碳纤维柔性受压缠绕电铸试验平台，设计了恒压力伺服控制系统以保证柔性受压电铸过程中碳纤维受力的平衡，实现了连续碳纤维快速、准确、紧密、连续掺入镍电铸层，效果显著优于其它方法；采用多纤维拔出法测定了不同实验条件下碳纤维-镍的结合强度，发现在电流密度为4A/dm2条件下制备的碳纤维体积分数为40%的复合电铸层在500℃热处理之后，碳纤维-镍界面结合强度达到31.82 MPa，抗拉强度高达1610 MPa；讨论了碳纤维柔性受压条件下液相传质过程和实际电沉积规律，并采用多点高速冲液、超声辅助等方法进一步加快柔性受压缠绕电铸过程的液相传质过程，显著降低了复合电铸层表面缺陷和内部孔隙率，结果显示碳纤维体积分数为40%的复合电铸层抗拉强度分别达到1731 MPa和1607 MPa；为了进一步提升复合电铸层质量，采用高频窄脉宽电流与添加剂相结合的方式，制备了碳纤维-纳米晶镍复合电铸层，发现纳米晶能显著提升复合电铸层界面结合强度、常温抗拉强度以及中温抗拉强度，结果显示当镍晶粒尺寸为80 nm时，碳纤维-纳米晶镍界面结合强度达到最高值33.22 MPa，常温抗拉强度达到1859 MPa，200℃时抗拉强度达到1418 MPa。.本研究完善了连续纤维增强复合电铸的理论与技术体系，提升了我国在该技术方向上的地位，为连续纤维增强金属基复合材料的制备提供一种全新的手段，为制造新型高比强度的液体火箭推力室身部、高性能压力容器提供了一种新技术，并有力推动电铸制造技术向复合化、产业化方向发展。