连续纤维预制型中金属液的横向补缩

连续纤维预制型中金属液的横向补缩

硬化过程是铸造法制备金属基复合材料的最后过程。对建筑材料的性能有重要影响。对连续纤维增强复合材料的研究表明,凝固组织强烈依赖于纤维的分布,缩孔均位于纤维间距较大的区域。由于连续纤维的存在,复合材料缩孔、偏析等缺陷比单一基体明显减少,而缩松成为复合材料的主要凝固缺陷。凝固补缩成为减少缩松及改善复合材料性能的重要途径。碳纤维增强铝基复合材料已成功用于航空航天领域,在高性能电子封装和热控制方面具有较好的应用前景。本课题在分析金属液在连续纤维预制型中横向补缩的基础上,对碳纤维增强铝基复合材料的横向补缩进行了试验研究。1束内金属液的凝固时间当金属液在连续纤维预制型中凝固时,传统的金属补缩通道已不存在。对于100mm长的连续纤维,由于纤维束的直径约为1mm,因此一束纤维纵向与横向尺寸的比值约为100∶1。如果凝固补缩从纤维束间向纤维束内进行横向补缩,那么补缩距离比依靠纤维束内进行纵向补缩时小得多,因此补缩效果比纵向补缩好。横向凝固补缩模型可近似用图1表示。图1中r和R分别为纤维束半径和参与横向补缩的束间金属液半径,L为纤维束的长度。忽略金属液沿纤维纵向散热,该纤维束内金属液的凝固时间可根据契尔文诺夫定律进行分析。对于给定纤维体积、金属和纤维温度时,C为常数,tf为凝固时间,Vc为束内金属体积,当束内纤维体积分数为φf时,可用下式表示:Ac为束内所有纤维与金属液接触的表面积,其值用式(3)计算:其中rf和n分别为单根纤维的半径和束内纤维的根数。同样,对于束间参与补缩的金属液,其凝固时间也可表示为:其中Ar为束间金属液与束表面纤维外表面接触的面积,其值为束表面纤维根数与单根纤维表面面积之半的乘积:Vrf为束间进行补缩所需的金属液体积,若凝固收缩率为β,则有以下关系式:当束内的金属液和束间参与补缩的金属液同时凝固结束时,整理式(1),(4)和(6)得:式中Vr为束间参与补缩金属液的体积,用下式表示:将式(2)、(3)、(5)和(8)代入式(7)求解得:束半径r等于沿半径方向纤维数与纤维间距的乘积,若纤维按正方排列,则:由于L0=2(R-r),将式(9)和(10)代入得:束内纤维之间的距离为:将碳纤维半径r=3.5μm,束内纤维根数n=3000和铝的凝固收缩率β=6.6%代入式(11)和(12)得出不同纤维体积分数的纤维间距离、纤维束间距离及其比值,见表1。可见,随纤维体积分数增加,横向补缩所需纤维束间距离也要增大。由于纤维体积分数增加时纤维之间的距离明显缩小,因此纤维束间距离与束内纤维距离的比值增加很快。当体积分数为60%时,比值高达15以上。2纤维浸渗试验用超声法将尺寸为3～5μm的SiC颗粒混杂入碳纤维束中,混杂好的连续碳纤维按预定体积分数放入模具中进行定向排布,模具内腔尺寸为120mm×20mm×3mm,试样的纤维排布方向平行于液态金属由下向上的浸渗方向。采用气压浸渗技术进行浸渗试验。铝合金为6061Al。两根0.1mm热电偶预先埋入预制型中,采用YEW型X-Y记录仪测量温度-时间变化曲线,依据曲线确定温度梯度和凝固速率。纤维预制型先抽真空,真空度为0.09MPa。预制型与铝液温度分别达700℃和750℃时,在气压下将铝液浸渗入预制型。调节压力使浸渗速率约为10mm/s,保压10s。试样冷却速度为10℃/s,通过冷却空气控制。试样冷却至400℃取出,经切割、磨平后进行抛光。用称重法测空隙率。3凝固条件对缩松的影响对于无混杂体的C/Al非润湿体系,纤维互相接触的数量在50%以上,有效的补缩通道大大减少,因此即使纤维束间距满足方程式(11),复合材料产生的缩松缺陷仍比较严重。将SiC颗粒混杂入碳纤维束可有效减少纤维接触的数量,形成有效的补缩通道,从而减少缩松缺陷。图2为温度梯度和凝固压力对凝固补缩的影响。图2a和图2c中SiC颗粒的体积分数为1%,图2b和图2d为3%,可见后者纤维的分布较均匀。铝合金液在1MPa压力下浸渗碳纤维/SiC颗粒混杂预制型后,在无压下凝固,虽然纤维束间距较大,但缩松缺陷明显多于在1MPa压力下凝固的缩松缺陷,这主要是纤维的存在大大减少了补缩通道,因此除了满足方程式(11)外,在压力下凝固才可有效减少缩松缺陷。当纤维分布不均时,如果由于纤维间距的不均匀造成补缩通道堵塞,那么即使在合理的凝固条件下也难以避免产生缩松。因此减少缩松的重要途径就是通过混杂使纤维间距分布均匀以及使纤维定向性好。但是并不是纤维分布均匀就可消除缩松缺陷。图2表明,温度梯度较小时,缩松分布范围较大,这与金属材料的凝固规律一致。因此为了减少缩松,除了有补缩通道并在压力下凝固外,还要保证一定的温度梯度和凝固速率。当纤维分布均匀时,通过调节温度梯度和凝固速率,测定给定纤维体积分数下试样的空隙率,根据空隙率可以确定是否出现缩松。在固定的浸渗条件和不出现缩松的情况下,由于浸渗造成纤维相互接触等产生的空隙率比较稳定,对于纤维体积分数为40%,50%和60%的复合材料,平均空隙率分别为0.6%,0.5%和0.4%。因此如果复合材料空隙率大于该值,则认为产生缩松。由此即可确定形成缩松的临界条件。图3为复合材料温度梯度与凝固速率平方根的关系曲线。临界线下方是缩松区,即当复合材料在凝固过程中GR-0.5的组合处于缩松区时,将会产生缩松,处于临界线上方时将可避免产生缩松。对于不同的纤维体积分数,临界线的斜率不同。对应纤维体积分数40%,50%和60%的GR-0.5临界值分别为24±1.6,29±0.7和36±2.3。如果浸渗条件超出试验范围,如纤维温度低于600℃,那么这些临界值及其偏差将会增大。纤维束间的熔体量远比纤维束内纤维间的熔体量大,而且前者温度更高,形成从束间向束内的补缩顺序。但是只有温度梯度是不够的,随着凝固从纤维束内中心向束表面推移,以及由于金属的导热比纤维更快而在束间中心开始凝固,在较快的凝固速率下,处于束内与束间交界的熔体最后凝固,由于无液态金属补缩而在纤维间产生缩松。如果邻近束表面的纤维间距较大,那么最后凝固部位会向束内推移。消除这种缩松的一个途径是除了有补缩通道外,还要保证束间最后凝固,并在压力下补缩存在较大补缩通道的束间。4纤维截面位置对补缩性能的影响(1)提出了熔体在连续纤维预制型中的横向补缩模型,依据契尔文诺夫定律推导出横向补缩时纤维束间距离与纤维几何形态、基体凝固收缩率和纤维体积分数之间的关系式。随纤维体积分数增加,横向补缩所需纤维束间距离要增大。(2)缩松主要位于纤维分布不均且难以补缩之处。消除缩松的关键是控制纤维在基体中均匀分布及凝固条件。如果由于纤维间距的不均匀造成