短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究_王得盼.pdf
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1、短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究:.短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究王得盼,梁 森,周越松,刘 龙(青岛理工大学 机械与汽车工程学院,青岛)摘要:本文利用传统的氧化铝陶瓷制作工艺制作了碳纤维 氧化铝复相陶瓷。为防止碳纤维在高温环境下被过度氧化,分别在碳纤维表面制作一层碳粉防护层和碳化硅防护层。探究碳纤维添加含量对 复相陶瓷以及 复相陶瓷的力学性能及抗冲击性能的影响规律。搭建了落锤冲击试验平台,并对 复相陶瓷进行冲击试验。结果表明:复相陶瓷和 复相陶瓷的最大抗弯强度和断裂韧性相差不大,抗弯强度和断裂韧性分别在碳纤维含量为.和.时最大,为.和.,相较于纯氧化
2、铝陶瓷分别提高了 和.。在落锤冲击过程中,复相陶瓷的抗冲击性能提高了.,载荷峰值提高了.。关键词:氧化铝陶瓷;碳纤维;抗冲击性能;复合材料中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,):,.,.,.,.:;收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();山东省自然科学基金资助项目()作者简介:王得盼(),男,硕士研究生,主要从事复合材料动力学方面的研究。通讯作者:梁森(),男,博士,教授,主要从事复合材料动力学等方面的研究,.。陶瓷材料由于具有高硬度、低密度以及高抗弯强度等优点,对于装甲防护系统方面而言十分具有吸引力。近年来,陶瓷材料已被广泛应用于装甲材料,现在防弹材料体系已从最初的纯氧化铝
3、、碳化硅、碳化硼陶瓷向多元化、复合化发展。王明超等向碳化硼陶瓷中加入莫来石纤维,对防弹陶瓷进行增强研究,发现与同批量未加纤维的碳化硼陶瓷相比,加入莫来石纤维的碳化硼陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别提高了.和.。刘第强利用溶胶凝胶法将短切碳纤维均匀分散在氧化铝溶胶中,并利用热压烧结制备了碳纤维 氧化铝陶瓷复合材料,研究表明,当碳纤维含量为 时,复合材料抗弯强度和硬度分别达到 和 。曹晶晶等以聚丙烯腈预氧化纤维为先驱体,采用真空热压烧结制备了原位转化碳纤维 氧化铝复合材料,研究了助溶剂添加量对复合材料性能的影响规律。等采用热压烧结法制备了短切碳纤维 氧化铝陶瓷复合材料,研究了不同含量和不同长 年 月复
4、合材料科学与工程度的碳纤维对复合材料力学性能和介电性能的影响。结果表明,添加.碳纤维(长度为 )时,陶瓷材料的抗弯强度达到最大值。等利用溶胶凝胶法制备了连续氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷复合材料,研究探讨了烧结温度对复合材料力学性能的影响。结果表明,在 下制造的复合材料具有最高的抗弯强度,接近 。等制备了 复合材料,系统地研究了纤维长度和烧结温度对微观结构、相组成、力学性能以及断裂行为的影响。结果表明,和 混合纤维长度的复合材料机械性能显著增强,复合材料的最高抗弯强度为.。范朝阳采用溶胶浸渍法制备了 复合材料,研究了热处理温度对复合材料力学性能的影响。结果表明,在 下进行热处理时,复合材料的弯曲强度
5、、弹性模量、断裂韧性分别为.、.、.。综上所述,针对纤维增强陶瓷材料的研究大多集中在采用溶胶凝胶法和沉积法制备的纤维增强陶瓷复合材料,由于没有进行加压成型这一工序,最终材料的抗弯强度等力学性能相对较低;另外,利用沉积法制备纤维复合材料的时间成本较大,复合材料的力学性能也不大理想;而且有关纤维增强的复相陶瓷抗冲击性能研究相对较少。本文利用传统工艺制作短切碳纤维 氧化铝陶瓷复合材料,探究氧化铝陶瓷制作的工艺过程中碳纤维含量对复合材料力学性能及抗冲击性能的影响。试验原料试验所用的氧化铝为 粉,来自淄博煜鼎新材料科技有限公司;碳纤维为东丽 系列,需处理成长度为 ,直径约为 左右的短切碳纤维。为了除去碳
6、纤维表面的上浆剂,需对碳纤维进行预处理。将碳纤维置于 的环境中持续 ,处理后的碳纤维扫描电镜如图()所示。图 碳纤维 图.试验流程考虑到碳纤维在高温下容易被氧化,本文采用以下两种方案。方案一:将一定比例的无水乙醇、炭粉和碳纤维均匀混合,然后对其进行 水浴加热直至无水乙醇完全挥发,使炭粉依附在碳纤维上形成防护层。方案二:将一定比例的硅粉、无水乙醇、炭粉、二氧化硅搅拌至均匀混合,此时碳纤维表面涂有一层以炭粉和硅粉为主的混合物;待无水乙醇挥发干净后,将碳纤维放入刚玉坩埚中,在 下进行煅烧,使碳纤维表面形成一层较薄的碳化硅、炭粉、硅粉防护层。镀层后碳纤维表面的扫描电镜如图()所示。用炭粉和硅粉包埋制备
7、碳化硅涂层,当温度达到 时开始发生化学反应转化成碳化硅,此时温度还未达到 的熔点,属于固固反应,随着温度逐渐升高至 左右时,粉料中的 在高温下熔融,此时的反应为液固反应。分散剂选用聚丙烯酸胺,烧结助剂采用氧化镁,黏结剂采用自制的 溶液。进风温度为 ,出风温度为 ,蠕动泵速率为 ,雾化器变频为 。将造粒粉过 目和 目筛后,按一定比例与之前处理好的碳纤维进行混合,并装入模具干压成型。试验在氮气气氛下进行真空气氛烧结。抗冲击试验的试验台是由本实验室团队研制而成,主要包括导轨、磁铁、冲头、试件夹紧装置。其余试验设备如表 所示。表 试验仪器设备 名称型号厂家滚轮球磨机湘潭市仪器仪表有限公司喷雾干燥机无锡
8、晨颖机械科技有限公司真空气氛炉洛阳力宇窑炉有限公司电动抗弯折试验机河北双鑫实验仪器制造有限公司显微硬度计莱州市得川仪器试验有限公司金相显微镜杭州精兢检测仪器有限公司 目前应用于陶瓷复合装甲的陶瓷面板大多为正六方体,本试验采用内接圆半径为 的正六方形,用半径为 的圆形夹具对试件进行约束。打开软件,先对仪器进行调试,然后将试件中心对准冲头中心。将冲头提高至一定高度后打开电磁铁开关,使冲头停在空中。设置数据采集卡采样频率,然后在打开数据采样开关的同时关闭电磁铁开关,使 年第 期短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究冲锤做自由落体冲击试件,最后结束,进行采样。利用 程序对采集的数据进行提
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