建筑用碳纤维增强铝基复合材料的工艺优化与性能研究_王述超.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期83建筑用碳纤维增强铝基复合材料的工艺优化与性能研究王述超（信阳师范学院，河南信阳 464000）摘要：采用真空热压法制备了建筑用碳纤维增强铝基复合材料，以抗拉强度和致密度为考核指标，通过三因素三水平正交试验法优化了复合材料的热压工艺参数，并对断口形貌进行了观察。结果表明，以抗拉强度为考核指标时，对抗拉强度影响最大的是因素 B（热压时间），其次是因素 A（热压温度），而影响最小的是因素 C（热压压力）；以致密度为考核指标时，对致密度影响最大的是因素 A（热压温度），其次是因素 C（热压压力），而影响最小的是因素 B（热压时间）。采用综合平衡法优化建筑用碳纤维增强复合材料的热压工艺参数组合为 A1B3C3，即热压温度为510、热压时间为 180min、热压压力为 15MPa 时，碳纤维增强复合材料可以取得最大的致密度和抗拉强度，此时复合材料的抗拉强度为 286.98MPa、致密度为 99.92%。关键词：碳纤维复合材料；热压工艺；正交试验法；致密度；抗拉强度中图分类号：TB 332Process Optimization and Performance Research of Carbon Fiber Reinforced Aluminum Matrix Composites for ConstructionWANG Shu-chao（School of Civil Engineering,Xinyang Normal University,Xinyang 464000,Henan,China）Abstract:Carbon fiber reinforced aluminum matrix composites for construction were prepared by vacuum hot pressing.Taking tensile strength and densifi cation as evaluation indexes,the hot pressing process parameters of the composites were optimized by three factor and three level orthogonal test method,and the fracture morphology was observed.The results show that when the tensile strength is taken as the evaluation index,the factor B(hot pressing time)has the greatest infl uence on the tensile strength,followed by the factor A(hot pressing temperature),and the factor C(hot pressing pressure)has the least infl uence.As a result,when density is the assessment index,factor A(hot pressing temperature)has the greatest impact on density,followed by factor C(hot pressing pressure),and factor B(hot pressing time)has the smallest impact.The combination of hot pressing process parameters of carbon fi ber reinforced composites optimized by comprehensive balance method is A1B3C3,that is,when the hot pressing temperature is 510,the hot pressing time is 180 min,and the hot pressing pressure is 15 MPa,the carbon fi ber reinforced composite can obtain the maximum densifi cation and tensile strength.At this time,the tensile strength of the composite is 286.98 MPa,and the densifi cation is 99.92%.Key words:carbon fi ber composites;hot pressing process;orthogonal test method;densifi cation;tensile strength作者简介：王述超，硕士，讲师，研究方向：建筑材料等。碳纤维增强铝基复合材料是以碳纤维和铝/铝合金制成的，兼具二者各自性能优点的复合材料，具有低密度、高强度、耐热性好、良好的耐腐蚀性能等特点1-2，在建筑、基建工程等领域有着广泛应用。目前建筑用碳纤维增强铝基复合材料的制备方法主要包括挤压成型法、真空吸铸法、真空压力浸渗法和粉末冶金法等3-5，虽然这些工艺都能够制备碳纤维增强铝基复合材料，但是仍然存在复合材料的界面反应强、加工过程中纤维损伤严重等问题，采用在较高真空环境下、将纤维与基体混合成一个整体的真空热压法6，有助于解决常规制备工艺中出现的若干问题，制备出符合工业应用的碳纤维增强铝基复合材料。然而，影响碳纤维增强铝基复合材料最终性能的影响因素较多，如热压温度、热压压力和热压时间等，目前热压工艺参数对碳纤维增强铝基复合材料组织与性能影响规律的报道较少7-9。因此，本文拟采用正交试验法优化热压工艺参数，研究热压时间、热压温度和热压压力等参数对复合材料致密度和抗拉强度的影响，结果将有助于建筑用碳纤维增强铝基复合材料的生产工艺优化，并指导工业实践。1 试验部分1.1 试验材料M40 型碳纤维布：抗拉强度 2755MPa，单丝直径6m、经密度 6 束/cm、面密度 120g/m2；1060 铝箔：厚度0.2mm，化学成分（质量分数）为：0.26%Si、0.34%Fe、0.06%Cu、0.28%Mn、0.03%Mg，余量为 Al；HL403 铝合金粉末：密度 2.70g/m3，化学成分（质量分数）为：5.78%Si、DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.00284王述超 建筑用碳纤维增强铝基复合材料的工艺优化与性能研究28.2%Cu，余量为 Al。1.2 制备工艺采用真空热压法，使用 OTF-1200X-VHP4 型真空热压炉在真空高压下制备碳纤维增强铝基复合材料，通过自带数显控制系统可以调节热压温度、压力和时间等参数，真空度控制在 210-4Pa、以 200mm 压头进行上下双向加压。碳纤维增强铝基复合材料的结构示意图（层叠方式设计）如图 1 所示。图 1 碳纤维增强铝基复合材料的结构示意图Fig.1 Structural diagram of carbon fi ber reinforced aluminum matrix composites为了合理优化热压工艺参数，拟采用正交实验法考察工艺参数对碳纤维增强复合材料力学性能的影响，采用三因素（热压温度、压力、时间）三水平的正交法对碳纤维增强复合材料进行了工艺试验，三因素三水平正交试验表见表 1。表 1 三因素三水平正交试验表Table 1 Orthogonal test table of three factors and three levels水平A：热压温度/B：热压时间/minC：热压压力/MPa15106052530120103550180151.3 测试与表征采用 Quanta 200 型扫描电子显微镜对材料的显微形貌进行观察，并用自带能谱仪测试微区成分；采用排水法在 DH-3000M 型复合材料密度测量仪上测试复合材料的致密度10；根据 ASTM D3039/D3039M聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法对碳纤维复合材料进行室温拉伸性能测试，拉伸试样尺寸如图 2 所示，拉伸速率为 0.5mm/min，结果取 3 根试样的平均值。图 2 拉伸试样尺寸图Fig.2 Dimension diagram of tensile specimen2 结果与讨论2.1 原材料表征图 3 为 HL403 铝合金粉末的显微形貌和能谱分析结果。(a)显微形貌 (b)能谱分析图 3 HL403 铝合金粉末的显微形貌和能谱分析Fig.3 Micromorphology and energy spectrum analysis of HL403 aluminum alloy powder从图 3（a）的显微形貌中可见，原料 HL403 铝合金粉末的颗粒主要呈类球形，圆整度较高，粒度分布较为均匀，平均粒度为 25m；能谱分析结果表明，局部区域含 66.22%(wt.)Al、5.69%(wt.)Si 和 28.09%(wt.)Cu。2.2 正交工艺优化表 2 为三因素三水平正交试验结果，其中，首先以碳纤维增强复合材料的抗拉强度作为考核指标。表 2 正交试验结果Table 2 Results of orthogonal test序号ABC抗拉强度/MPa1111177.262122199.983133254.864212166.905223192.736231226.437313170.548322149.849331185.20表 3 正交试验极差分析结果Table 3 Results of orthogonal range analysis项目抗拉强度/MPaABC210.70171.57184.51195.35180.85184.03168.53222.16206.04R42.1750.5922.01表 3 中列出了碳纤维增强复合材料的抗拉强度正交试验极差分析结果，其中 R 反映了相应的热压工艺参数对碳纤维增强复合材料抗拉强度的影响，R 越大则表示对应的热压工艺参数对碳纤维增强复合材料抗拉强度的影响越大，可以根据 R 值评价热压工艺参数对碳纤维增强复合材料抗拉强度影响的的主次作用11-12。从表 3 的极差分析结果可以发现，对抗拉强度影响最大的是因素B（热压时间），其次是因素 A（热压温度），而影响最小的是因素 C（热压压力），即影响因素从大至小顺序为 BAC。采用综合平衡法优化碳纤维增强复合材料的热压工艺参数组合为 A1B3C3，即热压温度为 510、热压时间为 180min、热压压力为 15MPa 时，碳纤维增强复合材料可以取得最大的抗拉强度。进一步以致密度作为考核指标对碳纤维增强复合材料进行了三因素三水平正交试验，结果见表 4。表 4 正交试验结果Table 4 Results of orthogonal test序号ABC致密度/%111197.71212298.87313399.91421296.34522396.75623197.27731397.23832297.91933195.62表 5 中列出了碳纤维增强复合材料的致密度正交试验极差分析结果，其中 R 反映了相应的热压工艺参数对碳纤维增强复合材料致密度的影响，R 越大则表示对应的热压工艺参数对致密度的影响越大，因此可以根据 R合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期85值评价热压工艺参数对碳纤维增强复合材料致密度影响的的主次作用。从表 5 的极差分析结果可以发现，对致密度影响最大的是因素 A（热压温度），其次是因素 C（热压压力），而影响最小的是因素 B（热压时间），即影响因素从大至小顺序为 ACB。采用综合平衡法优化碳纤维增强复合材料的热压工艺参数组合为 A1B3C3，即热压温度为 510、热压时间为 180min、热压压力为15MPa 时，碳纤维增强复合材料可以取得最大的致密度，这与表 3 的以抗拉强度为考核指标的热压参数优化结果相吻合，即碳纤维增强复合材料在最大致密度时具有最大抗拉强度。表 5 正交试验极差分析结果Table 5 Results of orthogonal range analysis项目致密度/%ABC98.5597.0997.6396.7997.5696.6696.9297.6098.05R1.760.511.392.3 优化工艺下复合材料的拉伸性能和断口形貌采用优化的热压工艺（热压温度、热压时间和热压压力分别为 510、180min 和 15MPa）制备复合材料，结果表明其抗拉强度为 286.98MPa、致密度为 99.92%，其拉伸断口形貌如图 4 所示。低倍下可见碳纤维增强复合材料的断口中存在剪切唇，局部有纤维拔出；高倍下可见纤维束与基体结合良好，未发现脱黏现象，这与此时碳纤维增强复合材料的致密度较高、受外力时能够更好地抑制裂纹扩展有关13-17。(a)低倍 (b)高倍图 4 优化热压工艺下碳纤维增强复合材料的拉伸断口形貌Fig.4 Tensile fracture morphology of carbon fiber reinforced composites under optimized hot pressing process3 结论（1）对抗拉强度影响最大的是因素 B（热压时间），其次是因素 A（热压温度），而影响最小的是因素 C（热压压力），即影响因素从大至小顺序为 BAC。采用综合平衡法优化碳纤维增强复合材料的热压工艺参数组合为 A1B3C3，即热压温度为 510、热压时间为180min、热压压力为 15MPa 时，碳纤维增强复合材料可以取得最大的抗拉强度。（2）对致密度影响最大的是因素 A（热压温度），其次是因素 C（热压压力），而影响最小的是因素 B（热压时间），即影响因素从大至小顺序为 ACB。采用综合平衡法优化碳纤维增强复合材料的热压工艺参数组合为 A1B3C3，即热压温度为 510、热压时间为180min、热压压力为 15MPa 时，碳纤维增强复合材料可以取得最大的致密度。（3）优化的热压工艺为热压温度、热压时间和热压压力分别为 510、180min 和 15MPa，此时制备的碳纤维增强铝基复合材料的抗拉强度为 286.98MPa、致密度为 99.92%。参考文献1 郑莹莹.连续碳纤维增强 Al 基复合材料及其趋势发展 J.现代制造技术与装备,2022,58(2):93-95.2 吴复涛,于延龙,李春海,等.纤维增强金属基复合材料研究进展 J.铸造设备与工艺,2022(1):52-56.3 刘晨曦,于惠舒,张楠楠,等.碳纤维增强铝基复合材料的研究现状 J.钢铁研究学报,2021,33(12):1205-1218.4 李廷举,刘嘉鸣,杨茜,等.碳纤维增强铝基复合材料制备及强化机制研究进展 J.特种铸造及有色合金,2020,40(11):1177-1181.5 顾姝,蔡长春,余欢,等.叠层缝合碳纤维增强铝基复合材料低速冲击及冲击后剩余压缩力学性能 J.航空材料学报,2022,42(3):80-88.6 LIU H B,FALZON B G,TAN W.Experimental and numerical studies on the impact response of damage-tolerant hybrid unidirectional/woven carbon-fibre reinforced composite laminatesJ.Composites,Part B.Engineering,2018,136B(3):101-118.7CHOI Y B,MENG X,XU Z F.Manufacturing process of short carbon fiber reinforced Al matrix with preformless and their propertiesJ.Scientific Reports,2021,11(1):23385-23394.8 东星倩,何涛,霍元明,等.短碳纤维增强铝基复合材料拉伸性能数值模拟分析 J.锻压技术,2019,44(12):167-173.9 NEUBAUER E,KITZMANTEL M,HULMAN M,et al.Potential and challenges of metal-matrix-composites 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