Cf表面修饰强韧化AB3型IMC/Al2O3复合材料的强度稳定性及高温氧化行为

High brittlement (low reliability) at room-temperature and low strength at high-temperature are key obstacles for the practical application of the structural intermetalic materials at elevated temperature. Room-temperature toughening cannot improve, sometimes degrade, the high-temperature properties of the materials. On the other hand, high-temperature strengthening will cause extra embrittlement and toughness losing. In order to increase the room-temperature toughness and the high-temperature strength of Fe3Si, Ni3Si, Fe3Al and Ni3Al, Carbon fiber and/or carbon fiber coated with Cu or Al2O3 was introduced into the Fe3Si/α-Al2O3, Ni3Si/α-Al2O3 ,Fe3Al/α-Al2O3 and Ni3Al/α-Al2O3 matrax by hot pressing to improve the microstructure integrity and homogeneity and to improve the strength stablity and reliability, as well as the high temperature strength. Some scientific problems such as the interface structure, the micro-zone properties, the interface phases and the high-temperature behavior of the composites will be studied to understand the relationship between the volum percentage of carbon fiber and the strength stability of the composites, and to understand the toughening mechanism and high-temperature oxidation mechanism. This study also aims at balancing the room-temperature toughening and high-temperature failure with proper carbon fiber content, acquiring high-temperature structural intermetallic matrix composites with excelent room-temperature toughness, high-temperature strength and oxidation resistance and laying the foundation or offering the technical reserve for the develement of new metal matrix composits used at over 1000℃.

室温脆性大和高温强度低一直是金属间化合物高温结构材料实用化的关键障碍，室温韧化往往无法兼顾甚至降低其高温性能；高温增强又会损失韧性和引起脆化。本研究以Fe3Si、Ni3Si、Fe3Al、Ni3Al为研究对象，在制备Fe3Si/α-Al2O3等复合粉体基础上，利用热压烧结引入短Cf以及表面包覆Cu或Al2O3的短Cf，通过Cf与基体的弥散复合提高Fe3Si/α-Al2O3 等复合体系微观组织的整体均匀性，以提高其室温强度稳定性和可靠性，同时提高其高温强度。通过研究复合体系中界面结构、微区性能、界面相及氧化失效行为等科学问题，明确碳纤维含量与复合材料强度稳定性关联规律、强韧化机理及氧化失效机制，使碳纤维含量在复合材料强韧化和高温氧化失效之间取得平衡，最终得到室温强度稳定、高温补强且抗氧化性能良好的金属间化合物基高温结构材料，为开发用于1000℃以上的新型金属基复合材料提供技术储备或打下基础。

利用传统的粉末冶金方法，以机械化学反应制备的Fe3Si/α-Al2O3等纳米复合粉体和短切碳纤维（short carbon fiber, Csf）为原料制备复合材料过程中，存在碳纤维(carbon fiber, Cf)难以均匀分散的问题。另外，碳纤维增强的Ni3Si、Ni3Si/α-Al2O3、Fe3Si/α-Al2O3等复合体系，过渡族元素对碳纤维的损伤成为复合材料制备过程中的很大障碍。基于此问题，改进了碳纤维均匀分散方法，重点研究了①碳纤维表面镀Cu工艺及表面修饰Cu层的复合纤维力学性能与镀层结构的相关性；②表面修饰碳纤维强韧化Fe3Al/α-Al2O3复合材料；③短切碳纤维均匀分散增强氧化铝基复合材料、性能及其在1000℃下的高温氧化行为。通过上述研究，得到如下结果：.I. 采用电化学沉积法在短切碳纤维表面实现了Ni、Cu单质及Ni/Cu复合镀层的均匀可控。Cu镀层与纤维之间之间只是简单的机械结合，单丝拉伸过程中镀Cu碳纤维表面的Cu层发生不连续断裂；Ni镀层与碳纤维之间存在Ni-C-O化学键， Ni镀层与纤维之间未发生剥离；碳纤维表面先镀0.5μm Ni再镀Cu可以显著改善碳纤维与Cu镀层之间的结合强度。.II. 在Cf/Ni3Si复合材料体系中，发现表面未修饰的碳纤维损毁严重，采用AlOOH 溶胶两次包覆、煅烧得到的氧化铝涂层（厚度0.4μm），或在碳纤维表面镀Cu修饰均能有效抑制界面反应，从而对碳纤维起到了很好的保护。表面修饰碳纤维体积分数为8~10%的复合材料弯曲强度得到显著提高。.III. 采用溶胶凝胶分散短切碳纤维，可显著提高分散效率和均匀性。表面镀Cu或沉积SiC对碳纤维进行表面防护可以减轻碳纤维的侵蚀，同时使碳纤维增强的Al2O3/Fe3Al载荷-位移曲线出现明显的非线性特征。纤维拔出、桥连机制导致的应力消除是非线性变形的主要因素，同时提供了复合材料韧化所需的渐进破坏机制。.IV. 直接将短碳纤维分散于AlOOH溶胶中制备的Csf/Al2O3复合材料具有良好的综合性能。经高温氧化后虽然碳纤维被烧蚀，但由于碳热还原氮化反应机制导致的基体晶粒细化，复合材料仍有较高的剩余强度。