短W纤维增强Zr基非晶复合材料的性能和变形机理研究

The continuous unidirectional W fiber reinforced metallic glass composites have a good prospect in national defense industry because of its high density, strength and the self-sharp effect and so on. However, these composites possess the highest strength and plasticity when the fiber orientation is parallel to the loading axis. The strength and plasticity of these composites will decrease when the fiber orientation is deviate from the loading axis.The anisotropic mechanical properties of these composites seriously affect their application. Therefore, this project will prepare the isotropic short W fiber reinforced Zr-based metallic glass composites using infiltration and rapid solidification. The effect of the diameter, length and the volume fraction of the W fiber on the static and dynamic mechanical properties and the deformation behavior will be investigated systematically, and the interface stucture, evolution rules of the microstucture in the W phase and the metallic glass phase will be deeply investigated, which will promote the development of the design theory and preparation techniques and provide a theoretical basis for further application of the fiber reinforced metallic glass composites.

单向长W纤维增强非晶复合材料因其高密度、高强度以及高应力水平下的“自锐”效应等一系列优异的性能在国防工业中具有良好的应用前景。但是此类复合材料往往只在纤维方向上具有较好的强度和塑性，当纤维方向与加载轴向偏离一定角度时，复合材料的强度和塑性都会随之降低。单向长W纤维增强非晶复合材料的各向异性严重影响复合材料的应用，因此本项目将通过熔体浸渗法制备宏观各向同性的短W纤维增强Zr基非晶复合材料，探讨W纤维的直径、长度以及体积分数等因素对复合材料的准静态和动态机械性能、变形和断裂的影响机制，并进一步深入研究界面结构、W相和非晶合金相微观结构的演化规律以及对复合材料性能的影响机制，以此推进该类材料的设计理论与制备技术的发展，并为此类复合材料的进一步应用提供理论依据。

本项目通过熔体浸渗法成功制备了短W纤维增强Zr基非晶复合材料，改善了单向长W纤维增强非晶复合材料的各向异性问题。通过单独改变增强相W纤维的直径、长度和体积分数制备了不同的短W纤维增强Zr基非晶复合材料并研究了复合材料的力学性能、变形行为随增强相短W纤维的几何尺寸（直径和长度）和体积分数的变化规律。.首先制备了不同直径短W纤维/Zr基非晶复合材料，对复合材料进行了准静态压缩力学性能测试和动态压缩力学性能测试，结果表明随着纤维直径的减小，复合材料的准静态压缩性能和动态压缩性能均有所提高。纤维直径为300µm时，复合材料的综合力学性能最佳。.确定W纤维直径和体积分数不变，单独改变W纤维的长度来制备复合材料。力学测试结果表明随纤维长度的增大，复合材料的准静态压缩力学性能有所提升，但动态压缩力学性能没有特别明显的变化。纤维长度为1050μm时，短W纤维/Zr基非晶复合材料的综合力学性能最好。.确定W纤维直径和长度保持不变，制备了两种不同体积分数的短W纤维/Zr基非晶复合材料，体积分数分别为63%和72%。为了增大复合材料中纤维分布的混乱度，制备了一种新的复合材料，这种复合材料中含有两种长度的短W纤维，两种长度的纤维各占一半，复合材料中纤维体积分数为72%。结果表明随着纤维体积分数的增大，复合材料的压缩力学性能略有提升，随着纤维混乱度的增大，复合材料的压缩性能也有一定提升。.综上，短W纤维增强非晶复合材料具有优异的宏观各向同性的力学性能，且断裂方式均为剪切断裂，具有明显的“自锐”效应。短纤维增强复合材料中，纤维分布是随机的，纤维和界面都没有方向性，导致复合材料在变形过程中，剪切带和裂纹的方向也是错综复杂的，这使得同一样品中，多种破坏模式并存，这些破坏模式之间互相竞争使得复合材料的失效过程更加复杂，这些因素都能够提高复合材料的力学性能。