[发明专利]一种双纤维协同增强钛铝层状复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双纤维协同增强钛铝层状复合材料及其制备方法，该复合材料由交替分布的钛层、金属间化合物层构成，其中，金属间化合物层包括金属间化合物基体、NiTi纤维、SiC纤维及所述纤维与所述金属间化合物基体之间的界面结合区，所述的金属间化合物基体包括Al₃Ti单相区、（Al₃Ti+Al₃Ni）多相区。本发明通过引入TA1薄金属箔，使得SiC纤维与NiTi纤维平行均匀分布于同一金属间化合物层中，可充分发挥两种纤维的协同作用，该复合材料显微组织致密、纤维分布均匀，可充分发挥纤维的裂纹偏转、纤维拔出及桥联作用，利用两种增强体（纤维）的协同作用，提高复合材料强韧性，而且该方法还可实现多纤维层平行/垂直铺放，便于复合材料结构设计与性能优化。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种双纤维协同增强钛铝层状复合材料及其制备方法。

背景技术

纤维增强钛铝金属间化合物层状复合材料作为一种新型轻质高性能空天结构材料，具有高比模量、高比强度及耐高温等优异特性，且该类复合材料的结构与性能具有很强的设计性，有望在航空、航天等尖端领域获得应用。美国加州大学圣迭亚哥分校Vecchio等人（K.S. Vecchio, F. Jiang. Fracture toughness of ceramic-fiber-reinforcedmetallic-intermetallic laminated (CFR-MIL) composites [J]. Materials Scienceand Engineering A, 2016, 649: 407-416.）利用“箔-纤维-箔”法及无真空热压烧结制备技术率先获得Al₂O₃陶瓷纤维增强钛铝金属间化合物层状复合材料，研究发现Al₂O₃纤维的裂纹桥联效应可有效提升复合材料的断裂韧性。另外，陶瓷纤维的加入有利于降低复合材料密度，满足高温结构件减重的发展需求。但由于材料中残余Al含量较高对复合材料强度及弹性模量将产生不良影响。针对此问题，Lin等人（C. Lin, Y. Han, C. Guo, et al.,Synthesis and mechanical properties of novel Ti-(SiC_f/Al₃Ti) ceramic-fiber-reinforced metal-intermetallic-laminated (CFR-MIL) composites [J]. Journal ofAlloys and Compounds, 2017, 722:427-437./C. Lin, F. Jiang, Y. Han, et al.,Microstructure evolution and fracture behavior of innovative Ti-(SiC_f/Al₃Ti)laminated composites [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 743:52-62.）调节热压工艺参数使铝充分反应而制备出SiC陶瓷纤维增强Ti/Al₃Ti层状复合材料。研究发现，钛铝金属间化合物在Ti/Al界面逐渐形核长大，随着反应的进行界面由Ti层逐渐向Al液中推进，直至Al液完全耗尽并全部转变为钛铝金属间化合物时，原本聚集在反应界面前端的氧化物或杂质便堆积于金属间化合物层中心部位形成了“中心线”。当材料发生失效时，裂纹首先在金属间化合物层中心线处萌生并扩展，对复合材料的性能造成严重的影响。力学性能结果表明，在平行于层向的压缩载荷作用下复合材料的抗压强度及塑性均出现显著下降，但其抗拉强度获得显著提升。Wang、Chang等人（E. Wang, C. Guo, P. Zhou, etal., Fabrication, mechanical properties and damping capacity of shape memoryalloy NiTi fiber-reinforced metal-intermetallic-laminate (SMAFR-MIL)composite [J]. Materials and Design, 2016, 95:446-454./Y. Chang, Z. Wang, X.Li, et al., Continuous Mo fiber reinforced Ti/Al₃Ti metal-intermetalliclaminated composites [J]. Intermetallics, 2019, 112:106544.）分别选用NiTi合金纤维、Mo金属纤维作为增强体引入钛铝层状复合材料中，金属（合金）纤维本身具有耐高温性、较好的塑韧性，在复合材料受载过程中可发挥其增韧作用。结果表明，引入金属（合金）纤维可大幅提升复合材料塑韧性，此外，研究发现制备过程中金属（合金）纤维与Al液发生快速反应，产生的界面反应区可有效阻止中心线的形成，有利于提高复合材料平行于层向抗压强度。但金属（合金）纤维往往密度较高，不利于复合材料减重设计。由此可见，目前获得的纤维增强钛铝层状复合材料中多为引入单一纤维增强体，而不同类型纤维所具备的性能优势不同，不易实现复合材料性能的全面提升。在航空航天高温结构件强韧化设计的大背景下，获得轻量化、高强度兼具高韧性的复合材料成为了必然趋势。