c纤维增强镁基复合材料

Hajo Dieringa, Norbert Hort和Karl Ulrich Kainer

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发布:2005年9月

主题涵盖

摘要

关键词

介绍

MMC的制造

实验

结果与讨论

拉伸试验

蠕变测试

热膨胀

微观结构

结论

参考文献

联系方式

摘要

金属基复合材料(MMCs)在过去十年(近几十年)得到了越来越多的关注，特别是在汽车应用中，但也在一般交通运输中，需要开发高强度、抗蠕变、控制热膨胀系数(CTE)的轻量化组件。铝基mmc已经投入使用，例如纤维增强活塞或颗粒增强制动盘。由于商业镁合金的高温性能差，并且越来越大的重量保存材料需求，仍然需要镁的MMC的研发。亚博网站下载本文提出了碳纤维增强镁合金的最新发展。研究了挤压铸造法制备的碳纤维增强耐高温镁基复合材料。由于预制碳纤维的制造工艺-渗透性能。MMCS显示各向异性机械行为，因为纤维显示平面随机分布。预制件使用影响增强物对MMC性能的影响。研究的复合材料是碳纤维增强AS41，AE42，AZ91CA，AM50，AM50ND和AZ31镁合金。在150-300℃的温度范围内测定蠕变性能。压力在30和90MPa之间变化。结果表明，短碳纤维的使用显著提高了材料的蠕变阻力。

关键词

c纤维、镁合金、AZ31、AE42、AM50、AS41、蠕变、MMC

介绍

在轻质结构中，由于它们的密度和高比强度相对较低，镁合金具有感兴趣。然而，由于尤其在轻质材料的高温性能下增加，需要新的低密度和高耐温材料的开发。亚博网站下载强度、抗蠕变和热膨胀是判断材料是否适合运输行业的最重要的性能。亚博网站下载镁合金的高温蠕变性能可以通过合金的发展得到显著提高。例如QE(银和稀土)和WE(钇和稀土)镁合金。在过去，钍也是镁合金的合金元素，但由于钍的放射性同位素不再使用。重要的是，这些合金元素的高成本是这些合金的主要缺点之一。此外，热膨胀系数（CTE）不能受合金元素的影响。替代方案可以是基于镁的金属矩阵复合物（MMC）。已经证明，与其基质合金相比，纤维和/或颗粒增强纤维和/或颗粒增强能力提高了基于镁的MMC的高温性质[1]。而且还必须考虑到较高的生产成本的劣势。必须考虑到更复杂的制造过程。只有使用廉价材料 - 既有合金和加固 - 相亚博网站下载对于成本有效的制造生产工艺的镁的MMCS可以将这类低密度材料引入市场中。本文介绍了基于普通镁合金的一些MMC的生产和材料特性，如AZ亚博网站下载91，AE42，AZ91CA，AM50，AM50ND和AS41作为基质合金，并加强短碳纤维。采用直接挤压铸造工艺，将c纤维或c纤维和si颗粒的预制体在压力下与镁合金相渗而成。yabo214研究了蠕变性能、强度和热膨胀行为，并附有光学和电子显微镜。

MMC的制造

所有镁基mmc均采用直接挤压铸造工艺生产[2,3,4]。该方法的特点是渗透和凝固过程中的凹凸，高压，高压，并与压铸，冷却和凝固缓慢，这导致熔体和加固之间的相对长的接触。此外，凝固过程中的高压降低了组分的孔隙率。与压铸件约3%的孔隙率相比，挤压铸造件的孔隙率仅为0.5%左右。图1显示了挤压铸造工具的草图。预成型件被预热到400°C，以避免在渗透过程中凝固。熔体被过热到700°C到720°C之间，然后浇在预制体上。垂直印章以大约60 MPa的压力将熔体挤压到预成型件中，凝固过程大约需要1分钟。基于AS41的MMC的预成型载体含有18体积％。％泛的SIGRAFIL^®C纤维。以AZ91 + Ca为基质，用不同量的Sigrafil进行研究^®预制件中的C纤维。混合复合材料的预制件由7 Vol％Sigrafil制成^®c -纤维的长度约为180µm，直径约为7µm, Si颗粒为4 vol%，直径≤45µm。yabo214硅基粘合剂的份额稳定预成型坯含量为4wt％。在所有情况下，预制件中的纤维显示出平坦的各向同性分布。表1显示了材料和表2的一些性质，合金的化学成分。亚博网站下载

表格1。所用材料的性质。亚博网站下载

表2。所采用的镁基合金的名义化学成分[wt%]。

实验

在室温、150℃、200℃和250℃下进行了拉伸试验。在150℃至300℃的温度下，在150℃和300℃的温度下评价恒温和恒定载荷的蠕变性质，并使用圆形试样在拉伸蠕变试验中载荷。用来自Netzsch的膨胀计DIL 402c测量热膨胀。在一系列的一维膨胀仪中研究了25mm的圆柱形标本，长度为5mm，直径为5mm室温(RT) - 300°C。进行三个具有5k / min的加热和冷却速率的温度循环。

结果与讨论

抗拉测试

为了评估纤维分布如何影响含有MMC的C-纤维的强度，在室温下进行基于AE42的材料的拉伸试验，在室温下，150℃，200℃和250℃进行。图2显示了并平行测试并垂直于纤维平面的标本的极限拉伸强度（UT）。在200°C时，AE42的UTS为95 MPa。垂直于光纤平面的增强MMC也具有95MPa的UT，但是与光纤平面平行的MMC的UTS是155MPa。当测试垂直于纤维面时，碳纤维不会在升高的温度下提高强度。拉伸强度(UTS)只有在测试方向为纤维平面(纵向)时才增加，在这种情况下增加60%以上。根据混合物（ROM）[7]的规则，MMC的强度仅在纤维方向上得到改善。基于AZ31，AM50和AM50 + ND的混合复合材料仅在200℃下进行测试。表3显示了与标准合金相比的UT。

表3。与标准合金相比，混合基板复合材料在200°C时的ut。

蠕变测试

对AZ91+Ca基复合材料在50、60和70 MPa下进行了150°C和200°C恒应力拉伸蠕变试验，直至断裂。表4显示了这些测试中的最小蠕变率。最小蠕变率的应力依赖性为:

表4。AZ91Ca基复合材料蠕变试验结果

为了评估200°C的应力指数n，作为负载函数的最小蠕变速率的日志/逻辑图如图3所示。在基于AS41的MMC上执行类似的蠕变测试。在150°C和300°C的温度和30 ~ 90 MPa的负载下，研究了拉伸蠕变。评估应力指数n，如图4所示，导致非常相似的结果。200°C时的应力指数高于AZ91Ca基复合材料。

在200°C和60 MPa载荷下对碳纤维和硅颗粒增强复合材料进行了测试。yabo214蠕变曲线如图5所示。基于AZ31的MMC的最小蠕变率为4.6x10^-9S.^-1，对于AM50的MMC为7.5x10^-8S.^-1而基于AM50Nd的则是1.1x10英寸^-7S.^-1。

热膨胀

从混合MMC以及基于AS41和基于AZ91 + CA的MMC测量热膨胀系数（CTE）。在第一次循环之后，由于在挤压铸造过程中产生的内应力释放，所以样品的长度变化。计算了横向和纵向的热膨胀系数，如表5所示。与横向于纤维平面的方向上的CTE与矩阵合金相比，沿纵向几乎减少，减小约20％。根据混合规律，碳纤维的低CTE只在纤维方向降低了MMC的CTE，而在横向没有降低CTE。

表5所示。混杂和纤维增强复合材料的CTE。

微观结构

预制体中的纤维呈平面各向同性。采用挤压铸造工艺，坯料内的渗滤方向垂直于纤维面。这导致挤压铸件中的机械性能各向异性。由于部件的尺寸局限性，为拉伸试验制备标本，并从纤维方向平面（纵向）蠕动。试件的膨胀调查在纵向和垂直方向都进行了测试。基于AZ31的杂交MMC的显微照片（图6）显示了深色碳纤维和两种类型的MG₂Si-precipitates。“中文脚本”类型是来自SIO的反应产品₂-Binder稳定预制件。第二种Mg₂Si-沉淀由预制件中的大量硅形成。图7为碳纤维增强AS41基MMC。不可识别的区域是可识别的，也可以发生纤维聚类的区域。力学性能不均匀的原因是显而易见的。

200°C和50MPa在蠕变测试后的微观结构调查显示光纤裂缝（见图8）。图9和10都显示SEM200°C蠕变试验后纤维开裂的显微图。负载从图9中的50mpa到图10中的60mpa不等。在这两种情况下，纤维都被沉淀层包围。虽然光纤和层之间的粘合在图9中是良好的，但图10中有脱粘。这种伤害导致了蠕变过程中寿命的减少。50mpa蠕变试验持续840 h, 60mpa蠕变试验持续190 h。

结论

纤维和杂交增强镁合金显示出强度，蠕变性和热膨胀减少的增加。由于MMC中纤维的平面各向同性分布，强度符合混合物的规则，并且仅在沿纤维平面进行的测试中得到改善。由于相同的原因，沿纤维平面的热膨胀率降低了约20%，使CTE值接近铝合金。与基质合金相比，抗蠕变电阻最多增加了两个数量级。由于较高的生产成本，碳纤维增强镁合金显示出良好的机械性能，但与铝合金相比，仍有缺点。

参考文献

1.V.Sklenicka，M.Pahutova，K.Kucharova，M. Svoboda和T. J. Langdon，“加固和未粘合的AZ91镁合金的蠕变”，关键Eng。亚博网站下载材料，171（2000）593-600。

2.K. U. Kainer和E. Böhm，“镁合金挤压铸造”，VDI Berichte，1235.（1995）117-125。

3.k。u。凯纳和B.L.媒体，“Herstellung und Eigenschaften vonK.urzfaserverstarkten镁Legierungen“金属,44（1990）438-443。

4.G. A. Chadwick，“使用短纤维预制件挤压MMC”，Mater。科学。Eng。135A（1991）23-28。

5.SGL碳，数据表Sigrafil C。

6.R. J.Lapotz和D. R. Mason，“MG的热导体₂Si和毫克₂GE“，J. Electrochem。SOC。，110(1963) 121。

7.K. K. Chawla，“复合材料”，ISBN 亚博网站下载0-387-98409-7，施普林格p.193。

8.ASM专业手册，“镁和镁合金”，M.M。Avedesian和H. Baker，ASM International，ASM International，（1999）177，0-87170-657-1。

9.B. Sommer，博士论文“UntersuchungZ.嗯Kriechverhalten derK.OhlenstoffaserverstärktenMillesiumLegierungAs41“，涂德邦，（2000）。

联系方式

Hajo Dieringa

GKSS研究中心

镁技术中心

Max-Planck-Str.1

21502 Geesthacht.

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电子邮件：(电子邮件保护)

诺伯特•长的矮

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卡尔•乌尔里希凯恩

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Max-Planck-Str.1

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本文还以“材料和材料处理技术进步”的印刷形式公布，6 [2]（2004）136-141。亚博网站下载