碳纤维强化铝基材料性能优化及在光机结构中的应用研究

In the high energy laser optical-mechanical system, the study of composites with low cost, simple preparation and high performance is a new thought to improve the stability of optical-mechanical structure. This is also one technical approach for the realization of miniaturization and weight reduction. Among the many high-performance composites, Cf/Al has many excellent properties, such as high specific strength, high specific stiffness, low thermal expansion coefficient，good dimensional stability, which make it an excellent candidate materials in the field of high energy laser optical-mechanical system. . Through the cooperation with research institutes, this project aims at the service requirements of structural components in high energy laser optical-mechanical system. The purposes of this project are: (a) the optimization of the thermal expansion properties of Cf/Al composites, reduce the anisotropy of thermal expansion; further increase of damping parameter, specific strength, specific stiffness; and the improvement of mechanical properties and broadband random vibration stability in optical-mechanical system; (b) the exploration of new composite materials which are used as structural components in high energy laser optical-mechanical system with satisfied stiffness, strength and thermal stability; the establishment of materials processing technique, the relations between microstructure and properties; (c) the study of design and application of Cf/Al in optical-mechanical system through the comparative study between experiment and simulation, which is beneficial to optical stability and the engineering level.

针对高能激光光机系统，开展成本低、制备工艺简单以及性能优异的复合材料的研究，是提高光机结构稳定性的一个新思路，也是实现其小型化、轻量化的技术途径之一。相比于传统空间光机结构材料，碳纤维强化铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性等优异的性能，因此受到航空航天部门的广泛关注。. 本项目通过与中国工程物理研究院所合作，面对高能激光光机结构件的环境适应性要求，研究优化碳纤维强化铝基复合材料的热膨胀特性，缩小材料热膨胀的各向异性差距，进一步提高材料阻尼、比强度、比刚度等综合性能，以及改善在光机系统应用中的机械性能和抗随机宽频振动稳定性能；探索满足高能激光光学构件结构刚度、强度和热稳定性要求的新型复合材料的稳定制备技术，建立材料制备工艺、微观组织结构和性能之间的关系。并通过开展实物模拟装置比对测试研究，掌握该材料在光机系统中的设计与应用，推进其工程化应用水平。

碳纤维强化铝基复合材料因同时具备碳纤维与铝的优良性能，具有高比强度、高比模量、低热膨胀性、优异的阻尼性能和可设计性等特点，可以替代航空航天工业中的高密度且昂贵的合金零部件，起到明显的减重效果，尤其在高性能光机结构部件上具有广阔的应用前景。然而存在的问题是碳纤维与铝基体之间润湿性较差以及碳纤维与铝基体易发生严重的界面反应。本项目为了改善碳纤维与铝基体之间的润湿性并抑制界面反应，首先在碳纤维表面制备了金属涂层，通过对碳纤维的预处理、电镀液成分的优选调配和对电镀装置的优化改进，研究了电镀工艺参数对金属涂层的微观结构影响。研究发现碳纤维预处理有利于提高金属涂层与碳纤维界面之间的结合力，电镀液中加入合适的添加剂能够得到光滑均匀的金属涂层；过高或过低的PH值都不利于涂层的沉积，电流密度小于 0.3A/dm2 时，涂层很难在 Cf 表面沉积，最佳电镀温度应在 20-40℃之间。其次将含金属涂层的碳纤维应用于铝基复合材料制备中，采用真空压力浸渗法制备了碳纤维强化铝基复合材料，研究发现金属涂层能够很好改善纤维与铝基体的润湿性及抑制界面反应。在此基础上，明晰了制备温度、涂层厚度及碳纤维含量对铝基复合材料的性能影响，发现制备温度680℃，涂层厚度1.5um，纤维体积含量16%时复合材料表现出优异的力学性能。为进一步提高此类材料的综合性能，本项目发展了胶体分散-抽滤方法用于制备微米/纳米碳化硅颗粒及碳纤维协同共增铝基复合材料，发现SiC颗粒及Cf能够较好的协同改善铝基复合材料的力学、热膨胀及阻尼性能。最后研究了基体合金化对碳纤维增强铝基复合材料性能的影响，通过基体合金化进一步提高了该类复合材料的关键性能。本研究从界面调控、增强体选用以及基体优化出发，针对光机结构系统的构件结构刚度、强度和热稳定性要求，系统研究了新型铝基复合材料的制备工艺技术与加工可行性，掌握了该新材料在光机系统中的设计与应用，对提高光机系统结构稳定性和工程化水平具有重要意义。