低膨胀高强度轻质ZrW2O8-Cf镁基复合材料制备及其性能调控机理研究

In this project, the ZrW2O8-Cf magnesium matrix composites with the excellent properties, such as light weight, high strength and low thermal expansion, are fabricated, and the thermo-mechanical properties of the composites are investigated by using experimental test, theoretical analysis and finite element modeling. Meanwhile, the factors affecting the thermo-mechanical properties of the composites are studied. The dispersion mechanism and method of ZrW2O8 particles in carbon fiber interlayer and between interlayer are studied. The effects of process parameters on infiltration quality of the composites are studied, and the optimized preparation process parameters for the fabrication of the composites are obtained. The internal relationship between the configuration variables (such as the content, orientation, arrangement characteristics of carbon fiber and the ZrW2O8 particle size, content in carbon fiber interlayer and between interlayer) and the thermo-mechanical properties of the composites is revealed, and the mechanism of performance regulation is revealed. The micro-structure, bonding mode of interface between different components, fracture morphology are studied to reveal the matching mechanism of thermal expansion among fibers, particles and matrix. Based on the aforementioned investigations, a multi-component and multi-scale FE model is developed to simulate the effects of the configuration variables on the thermo-mechanical properties of the composites. This research can provide scientific basis for the preparation of low expansion, high strength and light weight composites.

针对工程领域对材料低膨胀、高强度、轻质等性能的强烈需求，采用实验研究、理论分析和有限元仿真相结合的方法，对低膨胀高强度轻质ZrW2O8-Cf镁基复合材料制备及其性能调控机理的关键基础性问题开展研究。研究多尺度混杂预制体中ZrW2O8颗粒的分散机理和调控方法以及工艺参数对复合材料浸渗质量的影响规律，探求合理的复合材料制备工艺。研究多尺度预制体构型变量与复合材料热膨胀、强度的内在关系，揭示其性能调控机理。研究复合材料的微区结构、不同组元间界面的结合模式、断口形貌等，揭示复合材料内部纤维、颗粒、基体之间的热膨胀匹配机理。在此基础上，建立多元多尺度复合材料的有限元模型，优化预制体构型变量，实现ZrW2O8-Cf镁基复合材料热膨胀、强度协同调控，达到低膨胀、高强度、轻质之目的。本项目研究可为低膨胀、高强度、轻质镁基复合材料制备及其性能调控提供新思路和实验支撑。

在精密仪器、航空航天、光学及土木工程等领域，迫切需要形状和尺寸不随温度变化，并且轻质、高强的材料，以保证其构件具有高的尺寸稳定性、精密性和长的使用寿命。本项目，通过研究ZrW2O8颗粒与碳纤维混杂作用下复合材料制备与性能调控过程中的ZrW2O8颗粒分散、多尺度预制体浸渗、微观组织表征以及ZrW2O8-Cf镁基复合材料热膨胀和强度的变化规律等，解决了ZrW2O8-Cf复合材料内部碳纤维、ZrW2O8颗粒、基体之间的热膨胀匹配和复合材料热膨胀、强度协同调控的关键科学问题。以下为本项目研究取得的关键性结论：.1）利用模压法成功制备了ZrW2O8-Cf/E51低膨胀复合材料。在超声20 min之内，超声时间越长越有利于减少ZrW2O8颗粒团聚，降低复合材料的平均热膨胀系数，提高其极限抗拉强度。.2）ZrW2O8-Cf/E51复合材料在热膨胀过程中dL/L0会出现增大、减小和缓慢上升三个阶段，平均热膨胀系数也会出现相应的三个阶段；超声20 min之后，在30~100 ℃之间的平均热膨胀系数为-0.79×10-6/℃。.3）在拉伸过程中团聚颗粒会过早破碎形成空穴和裂纹，失去了传递载荷的作用，从而引起应力集中并促使纤维过早断裂。从超声5 min到超声20 min，复合材料极限抗拉强度提高了约8%，断口由平面状无纤维拔出变为台阶状有纤维拔出。.4）ZrW2O8质量分数为3%，纤维含量不同的Cf-ZrW2O8/9621复合材料随着纤维含量的增加，平均热膨胀系数逐渐降低，纤维含量为12%时复合材料的热膨胀系数最低为29.9×10-6/℃，降低了约60%；纤维质量分数为3%，ZrW2O8含量不同的Cf-ZrW2O8/9621复合材料平均热膨胀系数随着ZrW2O8含量的增加，平均热膨胀系数先降低后升高，ZrW2O8含量为9%时复合材料热膨胀系数最低为40.8×10-6/℃，降低了约28%。.5）通过增加纤维粉末和ZrW2O8颗粒都有助于降低Cf-ZrW2O8/9621复合材料的热膨胀系数，通过对比发现纤维粉末对降低复合材料热膨胀系数的效果比ZrW2O8颗粒好。.6）Cf-ZrW2O8/9621复合材料在30~200℃温度范围内平均热膨胀系数会出现增加、减少、再增加、后降低趋于稳定四个阶段。热膨胀量dL/d0会出现增加、降低、持续增加三个阶段。