基于沖擊韌性的Tif-Al復合材料設計與力學性能研究.pdf

1、本文以火星車車輪輪緣應用為背景，為滿足抗沖擊，抗裂紋擴展，耐磨及輕質(zhì)的要求，設計制備了單向的TC40.1/5056和2D-Tif/Al復合材料。鈦纖維強度和塑性都是金屬纖維中比較高的一種，探究了增強體鈦纖維的C涂層，纖維分布密度對復合材料的力學性能影響，利用OM，XRD，SEM，EDS，TEM來觀察了Tif/Al復合材料微觀組織。
　　利用壓力浸滲方法制備了2D-Tif/Al復合材料，研究了纖維鋪層方向（0°-90°，15°-75

2、°，30°-60°以及±45°），纖維種類以及基體合金（2024和5056）對2D-Tif/Al復合材料強韌性的影響，發(fā)現(xiàn)了當纖維鋪層方向沿著±45°時，復合材料的強度和塑性綜合性能最佳。基體合金為5056時，其塑性比2024鋁基體高，并且鈦纖維與基體反應程度比較小，塑性和沖擊韌性都得到提高。
　　單向板TC40.1/5056復合材料的縱向抗拉強度達481MPa，延伸率為9％，而60°，45°和90°的抗拉強度分別為135MPa，

3、121MPa和105MPa，延伸率都在1%以下，各個方向的拉伸強度基本符合Tsai-Hill強度預測。
　　0°方向的TC40.1/5056單向板抗彎強度可達800MPa以上，而±45°鋪層的2D-TC40.1/5056復合材料抗彎強度為400MPa左右，二維網(wǎng)狀復合材料的抗彎強度只有其單向材料抗彎強度的50%左右，主要是垂直跨距方向的纖維增強效果無法體現(xiàn)出來，并且界面反應也會給復合材料帶來割裂作用，使得二維的TC40.1/505

4、6復合材料彎曲性能整體下降。
　　0°方向的TC40.1/5056單向板的沖擊過程分為四個階段，在線彈性階段，此過程中先是基體與鈦纖維共同彈性變形，然后基體相對于鈦纖維來說比較脆，萌生裂紋，釋放一定的應力，使得載荷并沒有隨著撓度增加而線性增加，在出現(xiàn)最高點后載荷隨撓度下降，然后纖維彈性變形，曲線再次上升，直到纖維斷裂，曲線下降，單向TC40.1/5056復合材料的沖擊吸收功為23J左右，沖擊過程持續(xù)時間為0.5S，通過計算其沖擊韌

5、性為271KJ/m2，而±45°鋪設的2D-TC40.1/5056沖擊韌性為371KJ/m2，主要是沖擊過程中多了一個分層現(xiàn)象，增加了裂紋擴展路徑，提高其沖擊韌性。
　　鈦纖維表面的C涂層會降低復合材料的剪切強度，抗拉強度，抗彎強度和沖擊韌性。主要是表面的涂層與纖維結(jié)合緊密，不易與Al反應，界面結(jié)合強度比較低，并且還有裂縫出現(xiàn)，而無涂層的纖維增強鋁基復合材料剪切強度高，界面結(jié)合更牢固，易在外界載荷下發(fā)生分層現(xiàn)象。而基體合金有大量析

6、出相產(chǎn)生，提高了復合材料抗外界載荷能力，基體合金易在這些地方形成微孔，調(diào)整更多的變形量，增加吸收變形的功，也提高了材料的韌性。
　　鈦纖維直徑越小，相同體積分數(shù)下鈦纖維在復合材料中分布密度越大，界面比表面積比更大，對外界沖擊載荷抵抗能力更強。31%的TA20.1/5056復合材料的屈服強度在100MPa左右，抗拉強度達120MPa，延伸率為4%左右，沖擊韌性為265KJ/m2。31%的TA20.05/5056復合材料的屈服強度達1