关键词：
铝基复合材料
碳纤维
碳化硅
力学性能
摩擦磨损性能
摘要：
铝基复合材料作为一种轻质高性能材料,因其优异的比强度、比刚度、耐腐蚀性以及可加工性,成为金属材料研究的重点方向之一。然而,单一铝材料的力学性能和耐磨损性能在极端条件下表现不足。为获得性能优异的铝基复合材料,本论文采用碳纤维与碳化硅颗粒双相混杂增强铝基复合材料。将微米级碳纤维（CF）与纳米级碳化硅颗粒（SiCp）共同作为增强相引入铝基体。其中,碳纤维因其高比强度、高比模量、低密度和低热膨胀系数等优异特性,被认为是铝基复合材料中理想的增强相;而碳化硅则以其高硬度、优良的耐磨性和热稳定性著称。两种增强相协同作用,有望在提升复合材料力学性能的同时,实现其功能特性的全方位优化,从而拓展铝基复合材料在高端结构和工程领域的应用前景。
为改善碳纤维与铝基体的界面结合强度,本文采用化学镀法分别在碳纤维表面进行镀铜、镀镍处理,通过微观结构观察、结合力测试及高温热处理,分析镀层与碳纤维界面稳定性。利用快速热压烧结技术制备碳纤维含量为1 wt.%的镀铜碳纤维增强铝基复合材料（Cu@CF/Al）与镀镍碳纤维增强铝基复合材料（Ni@CF/Al）,通过对比复合材料密度、硬度、抗拉强度等物理力学性能,分析铜、镍镀层与铝基体的界面相容性及对复合材料性能的影响规律,筛选出界面适配性与综合力学性能更优的镀层。在此基础上,进一步调控碳纤维含量（0.5-2 wt.%）,探究其对复合材料组织与性能的影响规律,确定碳纤维最佳增强含量。最后,在碳纤维最佳含量基础上引入SiCp,构建混杂增强体系,通过对比单一增强与混杂增强体系的性能差异,揭示碳化硅颗粒与表面金属化碳纤维对铝基复合材料的协同增强机制。得到以下结论:
（1）与Ni@CF相比,Cu@CF在高温下表现出更优异的热稳定性。Cu@CF在高温下有效的保护碳纤维结构,而Ni-P镀层与碳纤维界面发生显著的元素互扩散,从而导致碳纤维内部结构完整性降低。Cu@CF可以有效改善碳纤维与铝基体的界面润湿性,Cu镀层在高温下向Al基体扩散,形成Al2Cu弥散强化相。
（2）随着Cu@CF含量的增加,Cu@CF/Al复合材料的致密度、热膨胀系数、热导率都呈现出逐渐降低的趋势。Cu@CF/Al复合材料的布氏硬度、抗拉强度随着Cu@CF含量的增加呈先增后减的趋势。在Cu@CF含量为1.0 wt.%时达到最大值,布氏硬度为56.22 HB,较纯铝（39.29 HB）提升43%。抗拉强度为281.91 MPa,较纯铝（151.32 MPa）提高86.3%。磨损率随着Cu@CF含量增加先减小后增大,在Cu@CF含量为1.0 wt.%时达到最小,磨损率为2.79×10-2 mm3/Nm,较纯铝(3.5×10-2 mm3/Nm)下降20.2%。
（3）在Cu@CF为1 wt.%的最佳含量下,随着SiCp含量的增加,SiCp-Cu@CF/Al复合材料的热膨胀系数和热导率逐渐降低。复合材料的致密度、硬度、抗拉强度都随着SiCp含量的增加呈先增后减的趋势,当SiCp含量为3 wt.%时达到最大值。其硬度为73.47 HB,较1 wt.%Cu@CF/Al复合材料提升30.6%,较纯铝提升86.9%;其抗拉强度为344.38 MPa,较1 wt.%Cu@CF/Al复合材料提升22.1%,较纯铝提升127.5%。磨损率随着SiCp含量的增加先下降后上升,在SiCp含量为3 wt.%时最低为0.93×10-2 mm3/Nm。较1 wt.%Cu@CF/Al复合材料下降66.6%,较纯铝下降73.4%。主要磨损机制由黏着磨损转变为磨粒磨损。
（4）SiCp的加入能有效抑制晶粒长大,使得复合材料的晶粒更加细小。晶粒细化不仅增强了复合材料的强度和硬度,同时有利于改善复合材料的韧性和尺寸稳定性。
（5）Cu@CF能有效稳定摩擦系数,而SiCp降低磨损率。二者发挥协同作用,提高了复合材料的摩擦磨损性能。
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