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第6 2 卷第1 期 2010 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．】 F e b r u a r y ．2010 碳纤维在复合材料中的作用 王学政1 ，宋晓瑞2 1 ．泰山医学院，山东泰安2 7 10 16 ；2 ．山东中医药大学，济南2 5 0 3 5 5 摘 要利用挤压铸造法制备A 1 2 0 v C f ／Z L l 0 9 短纤维混杂筒形金属基复合材料，探讨A 1 2 0 3 纤维体积分数为1 0 ％时，碳 纤维在该混杂复合材料中的作用。 关键词复合材料；A 1 2 0 v C f ／Z L l 0 9 ；碳纤维活塞 中图分类号T B 3 3 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 o i 一0 0 5 6 0 3 在内燃机中，活塞是工作强度最大的零件之一， 所处的工作环境最为恶劣，其质量的好坏直接影响 着内燃机的使用性、可靠性、经济性及寿命。1 。而 碳纤维具有一定的减摩作用，为提高活塞的使用性 能，利用挤压铸造法制备了A I ，O ，， C ／Z L l 0 9 短纤 维混杂筒形复合材料，根据活塞和缸套的实际工作 环境，采用于摩擦磨损实验模拟活塞在工作时的实 际工况，主要探讨了在相同的条件下，A l O ，短纤维 体积分数为1 0 ％时，碳纤维在该复合材料中所起的 作用，并揭示了其磨损机理，为该复合材料在汽车工 业等领域的应用提供理论依据。 1 筒形复合材料的制作 1 ．1 筒形预制件的制作 参考轿车发动机活塞的实际尺寸，确定预制件 的几何尺寸。增强相用的A 1 O ，纤维，是A I O ，含 量为9 5 ％的耐火纤维，直径为8 ～1 2 1 x m 。碳纤维 T X 一3 型聚丙烯腈碳纤维。将连续的碳纤维剪成2 4 m m 的短纤维，利用搅拌法，在水介质中将两种 增强纤维均匀混合后，加入适当浓度的有机粘结剂 和无机粘结剂溶液，继续混合一定时间后，倒入模具 中，采用真空负压整形法制作A l 0 ，， c ，短纤维混 杂筒形预制件。制成的A l 0 ，， C ，短纤维混杂筒形 预制件，经低温烘干后，装入具有还原性介质的容器 中，在高温下焙烧，得到具有一定强度的预制件№J 。 1 ．2 筒形复合材料的制作 在某有色铸造厂，利用轿车活塞生产线制作了 类似轿车活塞的筒形复合材料。基体原材料选用活 塞用Z L l 0 9 合金，成分以质量百分数计为1 1 ．0 ％一 1 3 ．0 ％S i ，0 ．9 ％一1 ．6 ％M g ，0 ．5 ％～1 ．5 ％C u ，1 ．0 ％ 一1 ．6 ％N i ，其余为铝。相关设备主要有工频炉、保 温炉、电阻炉、控温设备、T D Y 一3 3 2 0 0 t 型液态模 锻机等。挤压工艺参数见表1 。 表1 挤压铸造工艺参数 T a b l e1 T e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so fe x t r u d i n gc a s t i n g 2 摩擦磨损性能测试 干摩擦磨损试验是在M M 一2 0 0 摩擦磨损试验 机上进行，工作原理如图l 所示。试样尺寸是 收稿日期2 0 0 7 1 2 1 7 基金项目泰山医学院科研课题 1 4 5 1 作者简介王学政 1 9 7 2 一 ，男．山东烟台市人，副教授，硕上，主要 从事铸造金属基复合材料的制作及其性能等方面研究。 1 0 m m 1 0 m m 1 4 m m ，试样表面经抛光至O ．8 。摩 擦副为经过调质处理后的4 5 。钢轮，其尺寸是 6 4 0 m m 1 0 m m ，表面硬度是H R C 3 6 ～3 7 ，其表面光 洁度也是0 ．8 。将试样固定在试样模座上，试样和 钢轮在磨损前后均需用丙酮清洗，避免磨面油污引 起的试验误差。调整加载装置，使载荷达到预定值。 在该载荷的作用下，试样被压在钢轮上，开动设备。 钢轮以一定的速度转动，并与试样产生摩擦。磨损 量用试样的失重表示，采用感量为0 ．1 m g 的光电天 万方数据 第1 期 王学政等碳纤维在复合材料中的作用 5 7 平上对试样进行准确称量。 载荷 图1 干摩擦磨损试验原理 F i g ．1 S c h e m eo fd r yf r a e i t i o na n dw e a r 试验参数是，摩擦副的转动速度是2 0 0 r ／m i n ， 载荷是1 5 0 N ，磨损时间是2 0 m i n ，A 1 O ，短纤维体积 分数为1 0 ％，碳纤维含量分别是2 ％，4 ％，6 ％，8 ％ 时，复合材料摩擦磨损情况试验结果见表2 。 表2 碳纤维含量对复合材料摩擦磨损性能的影响 T a b l e2E f f e c to fe a r b o nf i b e rc o n t e n to nf r a c t i o na n d w e a rp r o p e r t i e so fh y b r i dc o m p o s i t e s 碳纤维含量／％ 2468 纤维平行取向A m m g 2 0 41 8 41 7 01 6 2 3 试验结果与分析 3 ．1 碳纤维含量对复合材料摩擦磨损性能的影响 在试验条件下，通过改变复合材料中碳纤维的 含量，复合材料摩擦磨损性能的变化如图2 所示。 可见，在相同条件下，复合材料的磨损量随着碳纤维 体积分数的增加而逐渐降低。 碳纤维含量，％ 图2 碳纤维含量对该复合材料 摩擦磨损性能的影响 F i g ．2 E f f e c to fc a r b o nf i b e rc o n t e n to nf r a c t i o na n d w e a rp r o p e r t i e so fh y b r i dc o m p o s i t e s 3 ．2 自润滑作用 当复合材料中含有硬质增强纤维 A 1 0 ，纤维 时，其摩擦磨损的基本过程是较软的基体先期磨 损，硬质纤维逐渐突出。磨合一段时间后，在复合材 料中主要承受载荷的磨损表面是高强度的纤维，而 纤维本身又具有较好的耐磨性，且大部分表面受到 基体合金的保护，不易受到损伤。此时，纤维不易被 磨掉，从而形成纤维的“露头”。这也是含有A I O ， 纤维增强的铝硅合金复合材料，其耐磨性高于基体 的主要原因。 复合材料的表面，在磨损过程中要经受应力和 切向摩擦力的反复作用，表层基体将产生周期性的 塑性变形和位错运动。位错将会在纤维与基体之间 的界面处聚集，同时由于基体和增强相之间的变形 的不连续性，容易产生应力集中。而界面由于不润 湿或脆性反应物的生成，性能往往较低，因此界面往 往成为裂纹萌生的地方，并使裂纹沿着界面扩展，从 而导致复合材料表层材料的脱落和转移。当加入碳 纤维后，由于碳纤维自身硬度很低，在应力和切向摩 擦力的作用下，碳纤维可变成微小的碳颗粒，利用碳 是很好的固体润滑剂的特点，从而起到了自润滑作 用。卜引。碳纤维含量越大时，自润滑效果则越好，耐 磨性越高。 3 ．3 导热作用 摩擦磨损过程实质上也是一个能量释放的过 程。随着磨损的进行，摩擦表面的温度将逐渐升高 并达到一平衡温度。复合材料摩擦面上纤维硬质点 可阻止金属基体与摩擦副之间的大面积“粘着”，使 基体粘着的可能性大大下降，使得因摩擦而产生的 温升受到一定的限制。 此外，复合材料中由于纤维的断裂也将吸收部 分能量一] ，而碳纤维本身的导热性好，所以碳纤维 的加入，有利于该复合材料导热性的改善。因此，几 方面的因素使得该复合材料在相同载荷下，其磨损 试样的表面温度要低于基体合金。A I 0 ，短纤维作 为硬质相可以强化基体，使得复合材料的硬度、强 度，特别是高温强度明显提高。在磨损过程中， A I O ，短纤维可以起到阻碍基体塑性变形、支撑和 承载作用。对于没有A 1 O ，短纤维增强的A l s i 合 金而言，摩擦热易使材料软化，表面温度升高，“粘 着”现象严重。总之，A I O ，短纤维和碳短纤维混杂 后，一方面有利于磨损表面温度降低，另一方面随着 碳纤维体积分数提高，导热性能逐渐改善，并使得该 复合材料的高温性能提高，可以有效阻止由于热软 ∞m，棚辎豫 万方数据 5 8 有色金属第6 2 卷 化而造成的塑性流动和“热粘着”。 由于碳短纤维和A I O ，短纤维的共同作用，使 该复合材料在相同条件的情况下，随着碳短纤维含 量的增加，磨损量逐渐降低，复合材料磨损性能逐渐 得到提高。 4结论 含有碳短纤维和A 1 O ，短纤维的铝硅合金复合 参考文献 材料随着碳短纤维体积分数的增加，耐磨性逐渐提 高，与基体合金相比具有优异的高温耐磨性。 [ 1 ] 郭领军，李贺军，石振海．内燃机活塞材料的研究及应用述评[ J ] ．铸造，2 0 0 3 ，5 2 9 6 5 7 6 6 0 ． [ 2 ] 杜军，刘耀辉。于思荣．铸造混杂增强金属基复合材料研究进展[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 2 ， 6 1 9 2 2 ． [ 3 ] 方浩，张国定，陈 荣，等．S i C p ／A I O ，，混杂增强2 0 2 4 A 1 复合材料摩擦磨损性能的研究[ J ] ．上海交通大学学报， 1 9 9 8 ，3 2 2 1 0 一1 4 ． 、 [ 4 ] 吴人洁．金属基复合材料的现状与展望[ J ] ．金属学报，1 9 9 7 ，3 3 1 7 8 8 3 ． [ 5 ] 赵稼祥．国外先进复合材料的现状与发展[ C ] 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，C h i n a ； 2 ．S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fT r a d i t i o n a lC h i n e s eM e d i c i n e ，．，，z 口，l2 5 0 3 5 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h eh y b r i df i b e rp r e f a b r i c a t e dp a r t sc o m p o s e do fs h o r tA 1 20 3a n dc a r b o nf i b e ra r em a d es u c c e s s f u lb yv a c u u m s u b a t m o s p h e r i cs h a p i n gm e t h o d ．T h eZ L l 0 9a l l o yr e i n f o r c e db yt h ep r e f a b r i c a t e dA 1 20 3a n dc a r b o n f i b e ra r e p r e p a r e db ys q u e e z ec a s t i n gm e t h o dw i t hf i b e rc o n t e n t s ．T h ee f f e c t so fc a r b o nf i b e ro nf r a c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s o ft h eh y b r i dc o m p o s i t e sw i t hf i x e dA 1 2 0 3f i b e rv o l u m ef r a c t i o n1 0 ％a r ei n v e s t i g a t e d ． K e y w o r d s c o m p o s i t em a t e r i a l ；A 1 20 玎 C J Z L l0 9 ；c a r b o nf i b e r ；p i s t o n 万方数据