材料復(fù)合設(shè)計(jì)論文-纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

材料復(fù)合設(shè)計(jì)材料復(fù)合設(shè)計(jì)《材料復(fù)合設(shè)計(jì)》課程論文題 目：纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)學(xué)院： 專業(yè)班級： 姓名： 學(xué)號:目錄摘要 錯誤!未定義書簽前言 錯誤!未定義書簽1、纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)2、應(yīng)用背景 錯誤!未定義書簽1、纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)2、應(yīng)用背景 錯誤!未定義書簽3、材料復(fù)合體系的選擇 錯誤!未定義書簽 5.錯誤！未定義書簽。 5.錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 6? 6 6..，錯誤！未定義書簽。、基體材料的選擇 2?、增強(qiáng)體的選擇 2.4、本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容與預(yù)期目標(biāo) 錯誤！未定義書簽。5、擠壓鑄造法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)方案 錯誤！未定義書簽5.1、工藝實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程圖設(shè)計(jì) 錯誤！未定義書簽。5.2、擠壓鑄造法的優(yōu)勢 錯誤!未定義書簽。5.3、擠壓鑄造法的工藝參數(shù)、比壓 、加壓時間 、加壓速度???????、保壓時間???????5.3.5、金屬澆注溫度5.3.6、其他 5.4、注意事項(xiàng) TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"6、噴射沉積法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)方案 ?6\o"CurrentDocument"、工藝實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程圖設(shè)計(jì) 6\o"CurrentDocument"、噴射沉積技術(shù)的特點(diǎn) 9.\o"CurrentDocument"、條件計(jì)算及分析 9.\o"CurrentDocument"、影響因素 10\o"CurrentDocument"、霧化錐流率mmax 10\o"CurrentDocument"、霧化錐寬度d 12\o"CurrentDocument"、沉積器半徑r 12\o"CurrentDocument"、沉積器旋轉(zhuǎn)速度3 12\o"CurrentDocument"、沉積器往復(fù)速度v 127、 總結(jié) 128、 致謝 13\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 13材料復(fù)合設(shè)計(jì)材料復(fù)合設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)歐陽超指導(dǎo)老師：向道平老師（海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，郵編： 570228）摘要：本設(shè)計(jì)選擇鎂作為復(fù)合材料的基體，選擇碳纖維作為增強(qiáng)體，根據(jù)鎂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能上的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了復(fù)合方案，并介紹了纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)和應(yīng)用前景等。本文設(shè)計(jì)采用壓擠鑄造法和噴射沉積法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝方案。通過分析這兩種制備方法的原理確定了這兩種設(shè)計(jì)方案的工藝流程圖，并對工藝流程具體問題進(jìn)行分析總結(jié)。關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)；鎂基；擠壓鑄造法；噴射沉積法；工藝流程前言：傳統(tǒng)鎂金屬及其合金雖然有著良好的強(qiáng)度、剛度、韌性，但是其耐腐蝕性、耐氧化性以及塑性等方面卻不盡人意。而在通過材料復(fù)合后，其表現(xiàn)出的良好的化學(xué)性能、耐磨損耐疲勞、耐高溫等一系列優(yōu)良的性能備受航空航天、汽車、機(jī)械及電子等高技術(shù)領(lǐng)域的重視⑴。自二十世紀(jì)八十年代至今，鎂基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一［2-3］。纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)與傳統(tǒng)的金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度、比剛性、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐磨損耐疲勞以及優(yōu)良的阻尼減震性能等諸多優(yōu)良的性能特點(diǎn)M11］，它由于其簡單的制備工藝、微觀組織均勻、材料性能各項(xiàng)同性等優(yōu)點(diǎn)目前正朝著工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的方向不斷發(fā)展著， 其中鋁基復(fù)合材料發(fā)展最快［5］。另一方面，由于鎂的密度比鋁更低，具有更好的比強(qiáng)度、比剛度,且具有良好的電磁屏蔽和阻尼性能等優(yōu)點(diǎn)⑹，鎂基復(fù)合材料成為了另一具有強(qiáng)大競爭力的輕金屬基復(fù)合材料，目前鎂基復(fù)合材料是應(yīng)用于汽車制造、航空航天、電子科技等多領(lǐng)域的理想材料之一⑺。目前對鎂金屬進(jìn)行材料復(fù)合的增強(qiáng)體有纖維、晶須和顆粒等［8］。而以碳和石墨纖維等對鎂金屬進(jìn)行材料復(fù)合能得到一種具有高比強(qiáng)度、 高比模量和良好熱穩(wěn)定性的鎂基復(fù)合材料［9］。其復(fù)合材料的性能取決于碳纖維的類型和性能、含量、分布和與基體界面結(jié)合狀態(tài)，就比模量和熱穩(wěn)定性而言，石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料是各種材料中最高的一種。當(dāng)石墨纖維含量達(dá)到 50%左右，石墨纖維增強(qiáng)鎂復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零，根據(jù)纖維的狀態(tài)可分為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鎂和不連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鎂復(fù)合材料。連續(xù)長纖維可按設(shè)計(jì)要求鋪排，為各向異性材料。單向纖維增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料沿纖維方向性能高于垂直于纖維方向的性能 ［10］［29］。應(yīng)用背景在目前工程用金屬中，鎂合金密度小但強(qiáng)度高、剛性好，其鎂合金的剛度隨厚度的增加而成立方比增加，故而鎂合金制造剛性好的性能對整體構(gòu)件的設(shè)計(jì)十分有利。而且，鎂合金的韌性好，很適合應(yīng)于受沖擊的零件一車輪；其減震性能優(yōu)良，是避免由于振動、噪音而引起工人疲勞等場合的理想材料。另一方面，鎂合金的熱容量低、凝固速度快、壓鑄性能好、優(yōu)良的切削加工性[12]0但是，鎂金屬很活潑，容易與空氣中的氧氣作用發(fā)生自燃，而且金屬表面容易氧化，形成疏松多空的氧化鎂，不能有效阻絕氧氣的侵入，從而加快鎂金屬被氧氣氧化，導(dǎo)致其耐腐蝕性能變差。另外，鎂金屬的室溫塑性差。鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其在室溫下只有1個滑移面和3個滑移系，因此它的塑性變形主要依賴于滑移與孿生的協(xié)調(diào)動作，但鎂晶體中的滑移僅發(fā)生在滑移面與拉力方向相傾斜的某些晶體內(nèi)，因而滑移的過程將會受到極大地限制，而且在這種取向下孿生很難發(fā)生，所以晶體很快就會出現(xiàn)脆性斷裂。在溫度超過 250C時，鎂晶體中的附加滑移面開始起作用，塑性變形能力變強(qiáng)。于是科研人員針對鎂金屬的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，開始研究對鎂金屬進(jìn)行材料復(fù)合，以達(dá)到改善金屬的各項(xiàng)性能指標(biāo)的目的，而纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料就是一種良好的改善途徑之一。材料復(fù)合體系的選擇3.1基體材料的選擇現(xiàn)目前，鋁基復(fù)合材料憑借著其高比強(qiáng)度、高比模量、耐磨損、耐腐蝕等諸多優(yōu)良的性能已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于汽車、航空航天、電子和光學(xué)儀器以及體育用品等領(lǐng)域。而本文在選擇基體材料時，考慮到鎂的密度更低(1.74g/cm3)，僅為鋁的2/3，具有更高的比強(qiáng)度、比剛度，而且具有良好的阻尼性能和電磁屏蔽等性能，而鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體碳纖維具有良好的耐高溫、 耐腐蝕、不溶不脹等特性，因而復(fù)合材料會具有很高的比強(qiáng)度、比剛性、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐磨損耐疲勞以及優(yōu)良的阻尼減震性能等性質(zhì)⑺0一般來說，復(fù)合材料所具有的諸多性質(zhì)取決于基體和增強(qiáng)體材料本以及材料之間的相互作用情況，所以為了得到性能優(yōu)良的鎂基復(fù)合材料，必須對其成分配比、界面控制、工藝流程以及參數(shù)控制進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧，找到最佳條件，才能找到綜合性能優(yōu)良、適應(yīng)工藝流程化、產(chǎn)業(yè)化的新型復(fù)合材料。另一方面，由于目前鋁基復(fù)合材料的制備工藝已日趨成熟，已經(jīng)開發(fā)出諸多方法進(jìn)行合成制備，而由于鎂的熔點(diǎn)與鋁相近，鎂基復(fù)合材料的制備工藝與鋁基復(fù)合材料相似，所以在工藝流程設(shè)計(jì)上可以參考鋁基復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝方法，并進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)鎂基復(fù)合材料。因此本設(shè)計(jì)選取鎂材料作為材料復(fù)合的基體。增強(qiáng)體的選擇增強(qiáng)相的選擇要求基本與鋁基復(fù)合材料相同，一般均要求其物理、化學(xué)相容性好，潤濕性良好，載荷承受能力強(qiáng)，盡量避免增強(qiáng)相與基體之間的界面反應(yīng)。一般常見的鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)相主要有纖維增強(qiáng)、 晶須增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)。顆?；蚓ы毜确沁B續(xù)性物增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料使各項(xiàng)同性的， 有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、二次成型等。但要強(qiáng)調(diào)的是，近年迅速發(fā)展起來的高性能纖維增強(qiáng)輕質(zhì)鎂基復(fù)合新型材料，在低密度、高比剛度和高比強(qiáng)度等方面更具有突出優(yōu)勢，使其成為輕量化、高性能結(jié)構(gòu)材料中有力的競爭者，正在逐漸成為現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域最有希望采用的復(fù)合材料⑸。本文介紹了纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料中常用的碳纖維，并對碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備工藝進(jìn)行論述，展望了其制備工藝的發(fā)展前景。對于碳纖維增強(qiáng)體而言，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、剛性好，但長纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料性能良好，但是造價昂貴，且材料本身各向異性［13］。而短纖維卻可以很好的彌補(bǔ)這一點(diǎn)，故本文選擇了短碳纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體。本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容與預(yù)期目標(biāo)本文章分別采用擠壓鑄造法、噴射沉積法制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，根據(jù)基體與增強(qiáng)體之間的相互作用關(guān)系，選擇出能夠避免鎂本身的不足以及材料復(fù)合后可能造成的不足問題。通過設(shè)計(jì)工藝流程，在前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改良，盡量做到工藝簡單，效果明顯。預(yù)期目標(biāo)是能夠在原有的制備方法上能有所改變，結(jié)合文獻(xiàn)知識，加入自己的想法，模擬生產(chǎn)流程，得到更加優(yōu)良的復(fù)合材料。擠壓鑄造法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)方案5.1 工藝實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程圖設(shè)計(jì)鎂基復(fù)合材料的傳統(tǒng)制備方法主要有攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、粉末冶金法、熔體浸滲法等。同時，機(jī)械合金法、熔體浸滲法、自蔓延高溫合成法等新型工藝，也得到了廣泛的應(yīng)用［4］。而對于碳纖維增強(qiáng)體來說，通過擠壓鑄造法制備得到的材料性能更優(yōu)越，由于在制備過程中基體和增強(qiáng)體之間的配比可以控制調(diào)節(jié)， 增強(qiáng)體分布均勻，可以使得生產(chǎn)工藝變得簡單，成本降低。擠壓鑄造的通常工藝流程是：熔制、混料、合模、加壓、保壓、泄壓，分模、毛坯脫模、復(fù)位等工序得到擠壓鑄造成型后的成品。得到的成品可以采用阿基米德法測試試樣的氣孔率，用三點(diǎn)彎曲法測彎曲強(qiáng)度和單邊切口梁法測斷裂韌性。用X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，用掃描電鏡觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)，采用MH-5型顯微硬度測定儀對拋光處理后的試樣進(jìn)行顯微硬度測試［14］。如圖1為本工藝設(shè)計(jì)路線圖。擠壓鑄造成型一1泄壓卜一保壓-一加壓合橈圖1擠壓鑄造法制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的工藝流程圖

本設(shè)計(jì)的具體方案為：采用200目的鎂粉和短碳纖維粉末，由于在擠壓鑄造法中碳纖維的潤濕性好，不易產(chǎn)生氣孔，所以不需對碳纖維進(jìn)行表面改性。本設(shè)計(jì)采用VV型擠壓鑄造機(jī)［15］。首先分別把基體和增強(qiáng)體粉末進(jìn)行研磨，然后將鎂粉在惰性氣體氬氣的保護(hù)下在內(nèi)壁噴涂料的熔爐里無熔劑熔煉，溫度升至650C，待鎂粉熔化至液態(tài)后絕氣下加入碳纖維，并進(jìn)行攪拌混合，另外，模具需提前預(yù)熱，然后設(shè)定擠壓工藝參數(shù)，進(jìn)行合模、充型、加壓、保壓、泄壓、分模、毛坯脫模、復(fù)位，即得到成型制體。工藝流程簡單如下圖：3(a)鑄造準(zhǔn)備；(b)澆注;廠. ,I3(a)鑄造準(zhǔn)備；(b)澆注;廠. ,Ic)合模加壓；(d)開型取件擠壓鑄造法的優(yōu)勢擠壓鑄造作為一種加壓的鑄造工藝，它的關(guān)鍵是低速(0.05-1.50m/s)和高壓，以便于金屬液較平穩(wěn)地充型和補(bǔ)縮凝固。從形式上擠壓鑄造兼具鑄造和鍛造的特點(diǎn)，但是相比傳統(tǒng)的壓力鑄造，擠壓鑄造沒有澆冒口系統(tǒng)，充型平穩(wěn)，可消除鑄件內(nèi)氣孔等缺陷，鑄件組織致密，機(jī)械性能也得到提高。由于無需冒口補(bǔ)縮和最后清理，因而液態(tài)金屬或合金利用率高，工序簡化。而較之模鍛工藝，擠壓鑄造生產(chǎn)率高，需要成形能量低，零件尺寸精度高，機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)與之接近，但縱向和橫向所具有的力學(xué)性能要比模鍛件均勻［16］o具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：能避免和減少氣孔等缺陷。由于擠壓鑄造過程中金屬液以較低的速度進(jìn)行平穩(wěn)充型，減少了金屬液流動形成的渦流，進(jìn)而降低了澆注過程中從模具型腔外部卷入氣體的可能性。金屬液在結(jié)晶過程中，又輔之高壓幫助凝固，可以壓出凝固體中的氣體和壓破形成的氣泡，從而減少甚至消除氣孔、氣泡和縮松等缺陷。提高了鑄件的機(jī)械性能。由于在金屬結(jié)晶凝固過程及時施加高壓，并使凝固體產(chǎn)生一定量的塑性變形，擠壓鑄件獲得了致密的樹狀結(jié)晶體，在半固態(tài)擠壓鑄造工藝中，可以獲得更細(xì)密的晶體。適用范圍更廣、更節(jié)約能源。擠壓鑄造由于兼具鑄造和模鍛二者的優(yōu)勢，應(yīng)用范圍擴(kuò)大。相比鍛造，擠壓鑄造需要的機(jī)械壓力更小，能源消耗少；而較之壓鑄，擠壓鑄造作用于鑄件上的有效壓力增大，避免了過大的壓力損失。擠壓鑄造工藝能夠生產(chǎn)近凈成形鑄件，而且能獲得較高的表面粗糙度。這減少了工件后續(xù)制作工序，節(jié)省了用于繼續(xù)加工的能源和資金，并縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。（4）適合大規(guī)模生產(chǎn)。擠壓鑄造法更加適合中小型鑄件的成形，同時由于機(jī)械壓力的作用，擠壓鑄造時金屬液在凝固過程始終保持與模具型腔面的接觸，熱傳輸效率更高，鑄件的凝固時間更短，一定程度上提高了生產(chǎn)效率何17］。擠壓鑄造法的工藝參數(shù)5.3.1比壓比壓又稱擠壓壓力，指直接或間接作用于金屬液表面上機(jī)械壓力［］。它的作用是保證金屬液與模具內(nèi)壁全接觸，使金屬液在等靜壓的作用下結(jié)晶、補(bǔ)縮和凝固，以及時消除鑄件氣孔、縮孔和縮松等鑄造缺陷，從而獲得較好的內(nèi)部組織和較高的機(jī)械性能，而壓力大小對鑄件的物理力學(xué)性能、鑄造缺陷、組織、熔點(diǎn)及相平衡等都有直接影響，所以在設(shè)計(jì)工藝流程時必須合理選擇比壓以保證成品的質(zhì)量。如果比壓過小，鑄件表面與內(nèi)在質(zhì)量都不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，比壓過大，對性能的提高不十分明顯，還容易使模具損壞，且要求較大合模力的設(shè)備。一般地,比壓的選擇應(yīng)在保證鑄件質(zhì)量的前提下盡量取低值。對于本實(shí)驗(yàn)制備的實(shí)心鑄錠，其比壓應(yīng)隨著直徑的增加而減小，隨著鑄件高度的增加而增加［16］。考慮到工藝中各參數(shù)的波動情況，實(shí)際實(shí)際生產(chǎn)時采用的壓力，一般應(yīng)高于實(shí)驗(yàn)值，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定為500MPa5.3.2加壓時間加壓時間是指施壓前金屬液在型腔內(nèi)的停留時間。 研究表明，型腔中的金屬液冷卻到液相線溫度以下時加壓可獲得最佳加壓效果。一般壓前停留時間盡量短些為好。加壓前停留時間越長，所需壓力越大，會延長加壓時間，也會降低鑄件的機(jī)械性能。加壓速度加壓速度是指擠壓沖頭接觸到金屬液面以后的運(yùn)動速度，它決定了金屬液的充型速度。加壓速度過慢，液態(tài)金屬自由結(jié)殼太厚而影響加壓效果；過快（如過0.8m/s）時則易使液態(tài)金屬渦流形成而卷進(jìn)氣體， 增加液態(tài)金屬的飛濺，促使鑄件形成披縫，甚至產(chǎn)生裂紋。為保證質(zhì)量，沖頭擠壓時的合適速度，小鑄件為0.2-0.4m/s;大鑄件為0.1m/s。一般加壓速度快一點(diǎn)為好。加壓速度快，則凸模能很快地將壓力施加于金屬上，便于成形、凝固和塑性變形。

534保壓時間534保壓時間保壓時間，即比壓保持的時間，一般該時間持續(xù)到鑄件完全凝固時為止。因此，保壓時間與鑄件的材料、形狀和斷面厚度相關(guān)。保壓時間過短，會使制件心部在尚未完全凝固時卸壓，造成制內(nèi)部得不到補(bǔ)縮而產(chǎn)生縮孔、縮松；過長，會使脫模困難，降低模具使用壽命延長生產(chǎn)周期。壓力保持時間在保證成形和完全凝固的前提下，保壓時間以短好。金屬澆注溫度利于提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量和鑄型工作壽命，鑄型垂直合型擠壓鑄造時的金屬澆注溫度比砂型鑄造和金屬型鑄造偏低。一般擠壓鑄造時金屬澆注溫度比該金屬的液相線溫度高50-100度。冋17］其他本工藝設(shè)計(jì)的鎂粉和短碳纖維的質(zhì)量比為30:1。原料研磨1小時，爐具升溫速率低于5°C/min，攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為50r/min，原料混合1小時。5.4 注意事項(xiàng)擠壓鑄造主要采用金屬型(個別使用泥型，如鑄造鐵鍋)。常用耐熱模具鋼制造，如3Cr2W8V4W2CrSiV等［18］。鑄型的潤滑。為鑄件凝固后沖頭能很順利地自鑄件中抽出，鑄件與凹型的脫離也應(yīng)同樣順利，降低鑄件與鑄型間的摩擦力，在澆注時和進(jìn)行擠壓成形之前，需對鑄型和沖頭工作表面刷涂潤滑劑。一般選用水劑膠體石墨、硅涂料(白涂料)、石墨和機(jī)油或豬油的混合物等?？稍谠O(shè)計(jì)鑄型時，設(shè)置溢流器，以使多余金屬在擠壓鑄造成型時進(jìn)入該處，保證鑄件尺寸不會因澆注金屬太多而出現(xiàn)偏差 ［19］。噴射沉積法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)方案6.1工藝實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程圖設(shè)計(jì)噴射沉積法是近30年發(fā)展起來的利用快速凝固、方法直接制備金屬材料坯料或半成品的一種先進(jìn)的成形技術(shù)，主要由熔融金屬的氣體霧化、霧化熔滴的沉積等連續(xù)過程組成，它是制備顆粒、晶須或纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料比較成熟的一種工藝[20]。一種工藝[20]。噴射沉積法的原理是：把液態(tài)純鎂或者鎂合金在高壓惰性氣體噴射下霧化，形成熔融純鎂或者鎂合金噴射流，同時將增強(qiáng)顆粒噴入熔融純鎂或者鎂合金射流中，使液固兩相混合并共同沉積到經(jīng)預(yù)處理的襯底上， 最終凝固得到顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料問。這里，針對短碳纖維增強(qiáng)體，可以預(yù)先把短碳纖維顆?；?，在達(dá)到一定的尺寸大小后噴入純鎂的射流中。噴射沉積過程的工藝流程大致可以分為五個階段：金屬釋放階段、氣體霧化階段、噴射階段、沉積階段及沉積體凝固階段［21］。如圖2-3為本工藝設(shè)計(jì)路線圖。金屬釋放過程?霧化過程噴射過程 ?沉積時液滴的狀態(tài)1增強(qiáng)體表面改性沉積過程后顆?；练e體冷卻及凝固過程 v圖2噴射沉積法制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的工藝流程圖工藝齧數(shù) 1：藝瀕程圖3工藝流程及其對應(yīng)的工藝參數(shù)復(fù)合材料性能的優(yōu)劣性依賴于增強(qiáng)體與基體的結(jié)合及增強(qiáng)體的分布狀況， 而決定結(jié)合及分布狀況的主要因素之一便是潤濕性。唯有當(dāng)金屬熔體與增強(qiáng)體之間有良好的浸潤性（接觸角小于90度）時金屬熔體才能自發(fā)的滲入增強(qiáng)體的間隙中，基體金屬與增強(qiáng)體之間才能實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合［21］o但對于碳/鎂復(fù)合材料，基體金屬與增強(qiáng)體之間浸潤性很差，而增強(qiáng)纖維很細(xì)，特別是碳纖維，一束纖維由數(shù)百根，甚至上千上萬根單纖維組成。金屬需要滲入到纖維之間，一般為幾微米的間隙中去，浸潤性差是難以實(shí)現(xiàn)的。研究表明，添加合金元素及提高液態(tài)金屬溫度會提高增強(qiáng)體與基體的潤濕性， 但該做法又會

提高成本或犧牲復(fù)合材料的性能，且潤濕效果并不十分明顯。針對這一現(xiàn)象，對碳纖維進(jìn)行表面改性顯得尤為重要。目前，碳纖維常見的表面處理方法有表面涂層處理（包括氣相沉積處理、聚合物涂層）、氧化處理（包括氣相氧化法、液相氧化法、電化學(xué)氧化法）、等離子處理等方法［9］，以及溶膠-凝膠法［31］。這里詳細(xì)介紹電化學(xué)氧化法。該方法利用了碳纖維的導(dǎo)電性，以碳纖維作陽極而浸在電解質(zhì)中的碳電極充當(dāng)陰極，電解液中含氧陰離子在電場作用下向陽極碳纖維移動， 在其表面放電生成新生態(tài)氧繼而使其氧化，生成羥基、羧基、羰基等含氧官能團(tuán)。同時碳纖維也會受到一定程度的刻蝕⑻0電解質(zhì)種類不同，氧化刻蝕的歷程也不同。如果電解質(zhì)屬于酸類，由水分子電解生成的氧原子被纖維表面的不飽和碳原子吸附，并于相鄰吸附氧原子的碳原子相互作用脫落一個碳原子而產(chǎn)生CO,從而使石墨微晶被刻蝕，邊緣與棱角的活性碳原子數(shù)目增加，使表面能增加的一個重要因素，其反應(yīng)為：C（固）+H2O-C（固）0（吸附）+2H++2e2C（固）0（吸附）-C02+C（固）如果電解質(zhì)屬于堿類，0H的碳原子相互作用而產(chǎn)生如果電解質(zhì)屬于堿類，0H的碳原子相互作用而產(chǎn)生0，從而增加了表面活性碳原子數(shù)目。其反應(yīng)為：C（固）+0H--C（固）0H（吸附）+e

4C（固）0H（吸附）—4C（固）+2H20+02本設(shè)計(jì)的具體方案是：首先將短碳纖維顆?；?，然后進(jìn)行對其表面電化學(xué)

氧化，使得處理后的碳纖維表面與鎂元素潤濕性良好。在高速惰性氣體 （氬氣或氮?dú)猓┑淖饔孟聦⑷廴诮饘倩蚝辖鹨毫黛F化成細(xì)小彌散的熔滴射流；霧化熔滴射流在高速氣流動量作用下加速，并與氣流進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換；將處理后的碳纖維顆粒噴入液態(tài)顆粒中；原料；到達(dá)沉積表面以前，小于某一臨界尺寸的熔滴凝固成為固體顆粒，較大尺寸的仍然為液態(tài)，而中間尺寸的熔滴則為含有一定比例液相的半凝固顆粒；這些大大小小凝固程度不同的熔滴高速撞擊沉積表面， 并在沉積表面附著、鋪展、堆積、熔合形成一個薄的半液態(tài)層后順序凝固結(jié)晶，逐步沉積生長成為一個大塊致密的金屬實(shí)體一一沉積坯［21］。工藝效果圖簡單如下：IS性％體1~增強(qiáng)體y十IS性％體1~增強(qiáng)體y十—?射高度6.2 噴射沉積技術(shù)的特點(diǎn)例如，在室溫和650C下IN718和Waspaloy等合金采用噴射沉積+HIP(熱等靜壓)，噴射沉積+環(huán)形滾壓或噴射沉積+HIP+環(huán)形滾壓的處理方法噴射沉積與傳統(tǒng)制造工藝的抗拉強(qiáng)度可與傳統(tǒng)鍛造比較[22]:材料工藝1X718U72CWaspaloy打.]/MPao/0/a、、-ir￡■MPa疔h/MPa/%a2Ml^/MPa,0/0/rZO1 "1ca1 11L50、z.11E1350681120133015.6()] 6‘i；?、乎111370呂0I113308Of>!l't1 _-J\f1550f193010606.71AQA136098601180bo!：J95011009.31 1 i?1 1.UU11501185011909注：1為鑄鍛工藝；2為噴射沉積工藝不難看出，噴射沉積工藝得到的材料性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鑄鍛工藝。噴射沉積工藝有如下幾個性能：經(jīng)濟(jì)性好。噴射沉積技術(shù)是一種近成形技術(shù)。工藝簡單、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率高、成本低。冷卻速度大。金屬顆粒飛行中冷卻速度為102?104K/s，在沉積后的速度為101?102K/s。比傳統(tǒng)的粉末霧化工藝略低，但比鑄造工藝高幾個數(shù)量級。含氧量低。整個工藝過程是在惰性或半惰性氣氛中進(jìn)行的，液態(tài)金屬直接生產(chǎn)為接近最終的產(chǎn)品，省去了粉末冶金工藝所要經(jīng)歷的粉末制備、貯存、運(yùn)輸、篩分等工序，氧化的可能性很小。成分均勻、組織細(xì)小。噴射沉積工藝的冷卻速度大，液滴中有大量細(xì)小的晶核產(chǎn)生，并且在短時間內(nèi)來不及長大。同時，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散和偏聚過程受到抑制，使材料繼承了金屬液體的成分均勻、偏析小的特征，故可得到成分均勻、組織細(xì)小的坯錠。多樣性。噴射沉積工藝不僅能夠制備各種形狀和尺寸的產(chǎn)品，而且可生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料(顆粒增強(qiáng)、短纖維增強(qiáng)、層狀復(fù)合等)。對不同的產(chǎn)品不須對設(shè)備作太大的改進(jìn)，通用性較好[23][24]。條件計(jì)算及分析霧化噴射沉積過程是一個復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)過程，許多工作試圖把最重要的材料參數(shù)：如合金成分、凝固區(qū)間、熔體粘度和純潔度等和過程參數(shù)：如熔體過熱溫度、金屬和氣體的質(zhì)量流率、沉積距離以及沉積器表面狀況等通過一定的模型聯(lián)系起來,用以預(yù)測顆粒、沉積體的物理及熱狀態(tài)。E.J.Lavernia[25]經(jīng)過對霧化液滴的尺寸分布、溫度、運(yùn)動速度和冷速的計(jì)算，提出最佳沉積距離是熔滴撞擊沉積表面時所含液相的重量百分?jǐn)?shù)應(yīng)在15—30%之間。Singer[26]對臨界沉積條件做了專門分析，把沉積看作是一個統(tǒng)計(jì)過程，認(rèn)為無論是霧化顆粒的速度，還是單位體積內(nèi)顆粒數(shù)量都是時間和所處位置的函數(shù)，只有對特定的噴射過程，可以認(rèn)為與時間無關(guān)。Singer提出的臨界條件為：q/pV<4［(T-Ti)h+H］其中，q 單位面積的傳熱速率p 噴射流密度，即單位體積射流中金屬的質(zhì)量V――沉積顆粒在垂直于沉積表面方向的速率h——金屬的比熱H――熔化潛熱T――顆粒到達(dá)沉積表面時的溫度Ti――金屬固相線溫度其中pV是代表金屬向沉積表面沉積的速率，維持高的pV值對沉積有利。而q值在沉積過程中是不斷變化的，高的q值對提高液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成預(yù)成形坯件和發(fā)揮快速凝固的冶金優(yōu)點(diǎn)有利，卻使沉積向臨界條件接近。隨著沉積的進(jìn)行雖然q值迅速降低，但由于沉積表面受較冷的噴射氣流的強(qiáng)制對流冷卻，冷速仍可達(dá)到104?106KS-1［27］。影響因素下圖3歸納了噴射沉積過程所涉及的主要基本過程及其影響因素。 顯然這些基本過程各自受不同影響因素的控制， 但又相互關(guān)聯(lián)。前一過程的結(jié)果往往作為下一過程的初始條件或邊界條件，對沉積材料的最終組織和性能有直接或間接的影響［30］。本文討論的主要影響參數(shù)為：霧化錐流率 mmax、霧化錐寬度d、噴射距離h、沉積器半徑r、沉積器的旋轉(zhuǎn)角速度①及沉積器往復(fù)速度V對管坯噴射沉積特性的影響［28］。6.4.1霧化錐流率mmax對于不同的霧化錐流率max,管坯沉積模型均呈現(xiàn)出中間凸出，兩邊邊緣部分為平緩的斜面，符合高斯分布。在沉積器軸向某一相同位置點(diǎn)，霧化錐流率gax與單層沉積厚度之間成正比的關(guān)系。但是，過寬的霧化錐流率會引起大量液滴的正向過噴，從而導(dǎo)致低的金屬生產(chǎn)率。這里介紹兩個經(jīng)驗(yàn)公式：霧化錐流率max反映了霧化錐中的金屬液滴的質(zhì)量分布。噴射沉積過程中，假設(shè)霧化錐的主霧化流率獨(dú)立于時間，主霧化流率 m和中心主霧化流率mmax存在以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：HlAXHlAX其中，r°.5是霧化錐寬度的一半霧化錐霧化流率的空間分布方程:

642 霧化錐寬度d霧化錐寬度d,即螺旋輪廓寬度，也即噴射高度h處的霧化錐直徑，其對噴射沉積成形模型及單層沉積厚度均有著直接的影響。 當(dāng)霧化錐寬度d變大時，沉積厚度明顯增長。與此同時，霧化錐寬度d受霧化錐流率mmax與噴射距離h的影響，當(dāng)霧化錐流率mmax增大，即霧化錐流率空間分布增大時，霧化錐寬度d則會相應(yīng)增大；當(dāng)噴射距離h增大時，霧化錐寬度d也會相應(yīng)增大。6.4.3 沉積器半徑r在其它相關(guān)參數(shù)不變的情況下，隨著沉積器半徑r的增加，其噴射沉積形狀越平緩；同時，其單層沉積厚度呈現(xiàn)減小的趨勢。沉積器半徑的增大，其表面積也相應(yīng)增大，而相同時間內(nèi)噴射的金屬總量是相同的，這些金屬分?jǐn)偨o面積較小的沉積器表面時，便會得到較厚的沉積厚度。因而，沉積器半徑較小時將得到較厚的沉積層；沉積器半徑較大時將會得到較薄的沉積層。沉積器旋轉(zhuǎn)速度3在噴射沉積過程中，當(dāng)沉積器旋轉(zhuǎn)速度3變小時，噴射沉積模型將會變得陡峭，其單層沉積厚度有增大的趨勢，當(dāng)沉積器旋轉(zhuǎn)速度3達(dá)到某一特定值時，沉積器旋轉(zhuǎn)速度3再增大時，其噴射沉積成形模型及單層沉積厚度的變化將不會很明顯。沉積器往復(fù)速度v在噴射沉積過程中，隨著沉積器往復(fù)速度v的增加，噴射沉積模型將會變得平緩，沉積層厚度呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)沉積器往復(fù)速度較快的情況下，單位時間內(nèi)霧化錐在沉積器表面掃過的面積大，所以得到的噴射沉積形貌較為平緩，沉積層更薄；與之相反，當(dāng)沉積器往復(fù)速度較慢時，噴射的金屬會集中在較小的沉積器表面，所以得到的噴射沉積形貌較為陡峭，沉積層增厚 [28]?？偨Y(jié)通過短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，可以有效地遏制鎂及其合金較差的耐腐蝕性、耐氧化性。同時，也能在制備復(fù)合材料時有效地減少氣泡，提高材料本身的比強(qiáng)度、比剛性、耐高溫等性能，并具有熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐磨損耐疲勞以及優(yōu)良的阻尼減震性能等諸多性質(zhì)。在擠壓鑄造法下，能夠有效地減少材料本身的缺陷，提高機(jī)械性能。通過預(yù)前對短碳纖維的表面進(jìn)行處理，可以很好地解決其潤濕性低的不足問題，通過與鎂通過噴射沉積，可以得到更加高質(zhì)量的鎂基復(fù)合材料致謝感謝向老師能夠給我們這次機(jī)會，讓我們有機(jī)會通過查閱大量的中外文獻(xiàn)，并結(jié)合自己所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識，學(xué)以致用，不斷培養(yǎng)自主創(chuàng)新的精神！最后，感謝向老師對我的工作的細(xì)心指導(dǎo)！參考文獻(xiàn):董群,陳禮清,趙明久,畢敬.鎂基復(fù)合材料制備技術(shù)、性能及應(yīng)用發(fā)展概況[J].材料導(dǎo)報.2004,4.18 （4）.李偉,王曉亮,楊紹斌,,徐振振.纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備工藝的研究現(xiàn)狀[J].HotWorkingTechnology.2014.43（12）.阮愛杰,馬立群,潘安霞,丁毅.鎂基復(fù)合材料制備工藝研究進(jìn)展[J].有色金屬.2011,5.63（2）.谷雪花,楊方,齊樂華,周計(jì)明.鎂基復(fù)合材料新型制備工藝及其應(yīng)用[J].塑料工程學(xué)報.2011,4.18 （2）.⑸譚娟，馬南鋼.鎂基復(fù)合材料的制備方法研究[J].材料導(dǎo)報.2006,11.20（7）.⑹陳曉，傅高升,錢匡武.鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].機(jī)電技術(shù).2003,12.田君,李文芳,韓利發(fā),彭繼華,劉剛.鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].材料導(dǎo)報.2009,9.杜文博.鎂基復(fù)合材料的制備方法與新工藝[J].稀有金屬材料與工程.2009,3.38（3）.趙慧鋒.碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備研究[D].上海交通大學(xué)：上海交通大學(xué).2007,2.任福忠.短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備及其性能的研究 [D].重慶大學(xué)：重慶大學(xué).2011,4.羅小萍,張敏剛，呂春祥，呂曉軒.炭纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備[J].復(fù)合材料.2011.31（5）.王金星,李賀君,齊樂華,王振軍.C纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料熱成形微觀組織模型[J].塑性