C_fMg复合材料的热膨胀系数及其理论计算

３ ／ 。 和 １． ７ ９ ｃ ｍ ｇ
１ 引 言
在航空 、 航天等高精技术领域 ， 碳纤维增强镁基复 ／ 合材料 （ 因具有轻质 、 高比强度 、 高比 Ｃ Ｍ ｇ 复合材料 ） ｆ
１， ２］ 。其可应 模量以及良 好 的 尺 寸 稳 定 性 而 备 受 青 睐 ［ 用在卫星天线 、 波导管以及精密导航光学测量系统的
碳纤维 和 镁 基 体 的 基 本 物 理 性 能 如 表 １ 所 示 。 其 各 方 向 体 积 分 数 比 ｘ∶ｙ∶ｚ＝ ２． ５ Ｄ 碳纤维 织 物 （ ） ， （ ） 如图 １ 所示 。 纤 维 单 丝 直 径 平 均 为 （ ２∶２∶１ ｂ ７． ０ ） ±０． ２ ５ ｍ。表 １ 中 ＊ 号 为 在 ３ ０～２ ０ ０℃ 范 围 内 测 得 μ 。 的金属热膨胀系数 表 １ 碳纤维和镁合金的基本物理性能 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １Ｐ ｈ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｏ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｆ ｉ ｂ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｍ ａ － ｙ ｐ ｐ ｇ ｎ ｅ ｓ ｉ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ
３， ４］ ／ 一些学者 ［ 研究了一维 （ 及二维（ １ Ｄ） ２ Ｄ） Ｃ Ｍ ｇ ｆ ， 复合材料的热膨 胀 行 为 认 为 退 火 有 助 于 降 低 复 合 材
ＥＬ ＥＴ α α Ｌ Ｔ （ ） （ ） （ ／℃ ） （ ／℃ ） Ｇ Ｐ ａ Ｇ Ｐ ａ １ ０－６ １ ０－６
４ ５ ２ ３ ０ ４ ５ ８． ２
９ ３ ２
） 卷 ２ ０ １ ２ ｆ ｇ 复合材料的热膨胀系数及其理论计算
童永煌１， 付业伟１， 齐乐华２， 程三旭１， 李贺军１
（ 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室 ， 陕西 西安 ７ １． １ ０ ０ ７ ２； ） 西北工业大学 机电学院 ， 陕西 西安 ７ ２． １ ０ ０ ７ ２ 摘 要： 采用负压浸渗 －液固 挤 压 法 制 备 了 定 向 短 切 及穿 刺－ 碳纤维 （ ａ ｌ ｉ ｎ ｅ ｄ Ｃ ２ Ｄ 碳纤维织物（ ２． ５ ＤＣ ｇ ｓ ｆ） ｆ） 增强镁合金复合 材 料 ， 观察了两种复合材料的微观组 织结 构 ， 测定了其在３ ０～３ ５ ０℃ 范 围 的 热 膨 胀 系 数 （ ， 并在 Ｓ ｃ ｈ ａ ｅ ｒ α） ｐ ｙ模型的基础上提出了计算定向 ／Ｍ ／ Ｃ ５ ＤＣ Ｍ ｇ 复合材料及 ２． ｇ 复合材料α 值的修正 ｓ ｆ ｆ ／ 模型 。 结果表明 ， 在３ 两种 Ｃ ０～２ ０ ０℃ 范围内 ， Ｍ ｇ复 ｆ 合材料的α 值 均 表 现 出 随 温 度 的 升 高 而 升 高 的 趋 势 ， 但在超过 ２ 其 ５ ０℃ 以 后 ， α 值 出 现 降 低 或 稳 定 的 现 象， 原因为随着温度的升高 ， 铝元素固溶度的增大 、 基体发 生部分塑性变形 等 因 素 导 致 的 ； 提出的修正模型理论 计算值与其相应的 实 验 测 试α 值 之 间 的 误 差 均 在 ５％ 之内 ， 表明该修正模型能够有效预测实验中的α 值 。 关键词 ： 镁基复合材料 ； 热膨胀系数 ； 理论计 碳纤维 ； 算 中图分类号 ： Ｂ ３ ３ １ Ｔ （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ９ ７ ３ １ ２ ０ １ ２ ０ ７ ０ ９ ３ ２ ０ ４ － － － 文献标识码 ： Ａ
材料 Ａ Ｚ ９ １ Ｄ Ｔ ３ ０ ０
支架等部件 。 但 是 ， 这些应用领域对复合材料的热膨 胀性能也提出了较为严格的要求 ， 因此 ， 如何优化复合 材料的尺寸稳定性及精确预测出复合材料的热膨胀系 ／ 数（ 便成为 研 究 者 们 所 面 临 的 难 题 。Ｃ Ｍ α） ｇ复合材 ｆ 料的α 主 要 通 过 碳 纤 维 的 排 布 设 计 和 体 积 分 数 来 调 节， 同时亦受到基体的性质 、 残余应力及界面性质的影 响， 如果仅通过实验测量较为复杂 ， 而使用理论模型进 行预测α 值可以减轻实验量和实验成本 ， 因此 ， 完善预 ／ 测Ｃ Ｍ ｇ 复合材 料 α 的 理 论 模 型 是 亟 需 研 究 的 重 要 ｆ 课题 。
＊
材料热膨胀性 能 的 研 究 主 要 集 中 在 １ Ｄ 和２ Ｄ 复合材
］ ３ ８ － 。 料上 ［
定向短切碳纤 维 （ 定向 Ｃ 通过调节长径比及分 ｓ ｆ） 布可获得 １ 而且 ＤＣ ｆ 增 强 的 复 合 材 料 各 向 异 性 效 果， 可以节约成本 ； 而且克 ２． ５ Ｄ 复 合 材 料 尺 寸 稳 定 性 高， 服了 ２ Ｄ 复合材料层 间 性 能 差 的 缺 点 。 本 文 采 用 负 压 ／ 浸渗 －液固挤压法成功制备了定向 Ｃ Ｍ ｇ 复合材料 及 ｓ ｆ ／ ２． ５ ＤＣ Ｍ ｇ 复合材料 。 测定了两种复合材料的α 值 ， ｆ 对α 值随 温 度 的 变 化 趋 势 进 行 了 机 理 分 析 ； 在Ｓ ｃ ｈ ａ －
［ ９］ ／ ｅ ｒ Ｍ ｇ复合材 ｐ ｙ 模型 的基础上 提 出 了 计 算 定 向 Ｃ ｓ ｆ ／ 料及 ２． 为后期 ５ ＤＣ Ｍ ｇ 复 合 材 料α 值 的 理 论 模 型 ， ｆ 通过调节纤维排布方式及体积分数来获得理想的α 值
奠定基础 。
２ 试样制备与试验方法
／ 采用负压浸渗 －液固挤压法制备了定 向 Ｃ Ｍ ｇ复 ｓ ｆ ／ 碳纤维体积分数分 合材料和 ２． ５ ＤＣ Ｍ ｇ 复 合 材 料， ｆ 别为 １ ０％ 和 ４ ５％ 。 两种 复 合 材 料 的 密 度 分 别 为 １． ８ ０
＊ ２ ８． ０ －０． ６ ０ ＊ ２ ８． ０ １ ０
ν
０． ３ ５ ０． ２ ５
Ｌ ＹＭＰ Ｕ Ｓ ＰＭＧ ３型光学显微镜上观察复合 在 Ｏ 材料的组织 。 在 Ｄ Ｉ Ｌ ４ ０ ２ Ｃ 型热膨胀仪上进行复合材 料的热膨胀测试 ， 试样 测试之 ６ ｍｍ×２ ０ ｍｍ 的圆柱 ， ／ 前试样进行 １ ８ ０℃×２ ８ ｈ 的热处理 。 定向 Ｃ Ｍ ｇ 复合 ｓ ｆ ／ 材料和 ２． ５ ＤＣ Ｍ ｇ 复合 材 料 不 同 方 向 的 试 样 如 图 １ ｆ 所示 。 升温速 率 为 ５℃／ 在测试过程中采用高纯 ｍ ｉ ｎ，