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《哈尔滨工业大学Mater. Sci. Eng. A：新型钛基复合材料，热处理后的拉伸与断裂韧性性能》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-05-23

  • 钛及钛合金具有各种优良性能（密度小，比强度高，耐腐蚀，耐高、低温性能好，无磁，无毒），成为航空航天应用的优秀材料，有着“飞行金属”的美称。然而，高速飞机需要高强度和高韧性的材料。β钛合金由于其高的热处理性、深淬透性和体心立方结构所赋予的固有延展性而成为优良的材料。添加少量硼和碳的钛合金因其弹性模量，拉伸和磨损性能优于传统钛合金，引起了人们的极大兴趣。这种钛合金含有少量TiB晶须（TiBw）和TiC颗粒（TiCp），可以显着改善基体的微观结构。

    成果简介

    近日，哈尔滨工业大学陈玉勇教授以及肖树龙副教授（共同通讯作者），第一作者杨建辉博士，在Mater. Sci. Eng. A发表一篇题为“The tensile and fracture toughness properties of a (TiBw + TiCp)/Ti–3.5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0.5Fe composites after heat treatment”的文章。该团队探讨了新型（TiBw + TiCp）/Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe复合材料经800℃，1h固溶处理后空冷并分别在440℃，480℃和520℃保持8h时效处理并空冷后的拉伸和断裂韧性性能，建立了合金组织与力学性能之间的关系。固溶处理后的极限拉伸强度和屈服强度分别下降了12.5％和11.3％。然而，时效热处理后强度显著提高。在440℃时效处理后达到最高的极限拉伸强度为1521MPa，伸长率为7.2%。在480℃时效处理后极限KIC值是65MPa m1/2。（TiBw + TiCp）增强体沿变形方向成流线型，增强了强度和疲劳韧性。增强体通过阻止裂纹扩展和延长扩展路径并增加吸收的冲击能量来提高断裂韧性。

    本文设计了一种添加了少量的B和C近β型钛合金的新的“钼当量”变形体，研究了热处理对复合材料组织和力学性能的影响。得出时效热处理可大大提高复合材料的强度和疲劳韧性的结论。在480℃/8h时效/空冷时，最高抗拉强度为1521 MPa，是锻造合金的1.7倍，延伸率为7.2％。极限KIC值为65 MPa·m1/2。αs的大小对强度和断裂韧性有相反的作用，相对较细的αs有利于强度但不利于断裂韧性，对粗晶粒反之亦然。（TiBw + TiCp）增强体增强了强度和疲劳韧性，并通过阻止裂纹扩展来延长扩展路径，增加吸收冲击能量来改善断裂韧性。

    文献链接：The tensile and fracture toughness properties of a (TiBw + TiC)/Ti–3.5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0.5Fe composites after heat treatment（Mater. Sci. Eng. A， 2018， DOI.org/10.1016/j.msea.2018.05.009）。

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  • 《新型自组装复合材料展示出超乎寻常的电学性能》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-06-09
    • 复合材料是由两种或两种以上组分材料构成，按照其混合规则在复合材料中两种混合组分的比例可以随意变化，但是复合材料的物理性能却会受到组分特性的限制。然而，对于宾夕法尼亚州立大学仿生材料学系主任Melik Demirel及其团队而言，他们至少在纳米级上已经突破了这一限制。 Demirel指出：“如果使用的是导电聚合物复合材料，则聚合物和金属化合物的含量会受混合物原则的限制。这些规则支配着基体和填料，但我们采用了材料-生物聚合物和原子薄的导电材料，可让它们实现自组装从而打破了混合规则。” 该团队的材料由仿生聚合物组成，在鱿鱼齿齿蛋白结构的启发下，该仿生聚合物基于基因重复产生的串联重复蛋白，并能传导碳化钛2D MXene。该层状复合材料实现了自组装，通过使用串联重复蛋白的基因工程，研究人员可以控制导电层的层间距离，而无需改变复合材料。研究人员的目标是利用合成生物学技术，创造出一种对自身物理性能具有空前控制能力的自组装材料。 该项研究的最新成果发布在ACS Nano杂志上。这种仿生聚合物金属复合材料在适当的本体混合物中可以既具有柔韧性又具有导电性。在微观尺度上，当结构对称性破裂时，电导率取决于方向。只要电流沿着2D材料层的平面流动，电导率就是线性的，但是如果电流流过这些层，电导率就会变成非线性的。 “现在我们可以制造一个存储设备了，” Demirel说。“我们还可以制造二极管、开关、调节器和其他电子设备。我们希望制造具有所需性能的材料，以构建难以实现或以前无法实现的新颖功能。
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  • 《揭密欧洲最新碳纤维复合材料汽车部件开发项目MAI Skelett》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-04-25
    • 德国碳纤维复合材料联盟（Carbon Composites e.V.，CCeV）是一家由企业和研究所组成的联合机构，其成员遍布高性能纤维增强复合材料的整条产业链。该联盟下设多个分支机构，MAI Carbon是其中之一。2012年1月19日经独立评审团评审，MAI Carbon通过了德国联邦教育及研究部（BMBF）前沿技术产业集群的第三轮选拔，成为五大前沿技术产业集群之一，位于慕尼黑、奥格斯堡和英戈尔施塔特三角区，计划到2020年形成碳纤维复合材料的规模化产业集群。为了实现这一目标，MAI Carbon成员企业开展的联合研发项目围绕复合材料部件全生命周期，内容涉及树脂纤维原材料、零部件制造及材料回收等全产业链各环节。 MAI Carbon机构由奥迪、宝马、Premium Aerotec、空客直升机、Voith、SGL，以及IHK Swabia、德国碳纤维复合材料研究所（LCC）、慕尼黑工业大学等创立，目前拥有超过120家会员单位。2012年以来，该机构成员间的联合研发项目多达39项，资助金额从几十万欧元到几百万欧元不等。 今天，小编带您了解一下MAI Carbon一项名为“MAI Skelett”的示范项目。该项目是复合材料制造商在寻求降低部件成本道路上的一次全新尝试。研究者通过不断努力，混合使用多种材料，将“合适的材料用于合适的部位”，同时最大程度地满足了规模生产对自动化和功能一体化的需求。 项目简介 MAI Skelett项目获得了德国联邦教育及研究部（BMBF）190万欧元的资助，为期17个月，由宝马公司主持实施，合作企业包括P+Z Engineering公司、SGL Automotive Carbon Fibers公司、CirComp公司和Eckerle公司。该项目针对挡风玻璃上方、两个A柱之间的挡风玻璃横向框架结构开展研发工作，并形成产品和工艺示范。其设计以现有的宝马i3车型为基础，遵从该车型设计的所有功能和结构要求。目标部件不仅是车顶横向框架结构件，提供了良好的刚度（能够有效降低NVH：噪音、振动和粗糙度）、强度（帮助车顶件在压缩实验中满足撞击要求），同时可用于遮阳板、装饰件、照明线等内饰件的固定，以及为挡风玻璃、天窗和车顶外面板提供连接支持。 该项目首次提出“骨架”设计理念，采用单向碳纤维增强复合材料及拉挤成型工艺，经热成型-复合模塑（overmolding）两步法，在75秒内生产出结构件，超越了前期各版本部件的工艺要求，实现了热塑性复合材料在白车身结构中的规模化应用。另外，该项目提高了白车身部件的残余应力，将其断裂方式从脆性断裂变为韧性断裂，从而改善了部件的碰撞行为。采用“骨架”设计的挡风玻璃框架弯折处有4根单向碳纤维增强复合材料拉挤棒，经复合模压工艺封装于部件内。4根拉挤棒中 ，两根靠近零件底部，两根靠近顶部，不在同一平面内，便于为部件提供扭转刚度和复杂形状的功能附件。 材料选择 项目采用价格相对较低的大丝束碳纤维为增强材料。由于50k大丝束碳纤维单丝排列紧密，树脂浸润非常困难。因此，需要结合纤维展宽技术对纤维导向进行优化，才能达到理想的预浸效果，同时保证了50%左右的高纤维体积含量。SGL掌握了这一技术，并将拉挤型材列入了其“热塑性产品备选箱”。 除了增强纤维，项目同样考察了不同种类的PA6树脂，以确保其粘度和流变特性能够对拉挤速率和产品质量进行优化。SGL的“热塑性产品备选箱”为项目提供了多种备选材料，包括碳纤维单向带、有机板、不同长度的短切纤维，以及单向碳纤维增强拉挤件。以上材料均采用SIGRAFIL 50k 碳纤维，以及适用于聚丙烯、聚酰胺等热塑性树脂基体的上浆剂。而聚酰胺类热塑性树脂的种类很多，包括PA6、PA66、PA12以及PPA中的部分类型都可以作为候选材料。有些PA6甚至可以在模压过程中通过反应原位获得。 热成型和复合模塑工艺 MAI Skelett项目最初选用的材料体系为碳纤维增强PA6复合材料。随后，研究人员对材料组分进行了调整，使材料能够适应部件形状及不同部位承载载荷的需要。选择热成型工艺主要考虑了碳纤维需在尽量直的情况下才能表现出高强度和高刚度，因此，拉挤棒材在树脂基体流动方向上被拉伸，其端头则进行弯折和展宽处理。 第二步，需将热成型后的拉挤棒材置于红外加热器之下，并在50秒内将其加热至指定温度，随后用机械臂将其转移至注塑模具中。短切纤维树脂糊经复合模塑工艺注塑于型材之上或其周围。复合模塑环节对模具和工艺过程的精度要求极高，这样方能确保热压后的拉挤棒材位置保持不变。 拉挤棒材热成型和复合模塑两步工艺的总周期约为75秒。由于热塑性树脂基体能够在复合模塑工艺之前重熔，因此，热压处理后的拉挤棒材能够在极短时间内完成部件的最终塑形 ，并与二次注塑材料连接为一体。热塑性树脂的这一特点甚至可使其与金属部件形成连接。同时，热塑性树脂基复合材料的热成型和注塑工艺同样能够获得产品质量的一致性和工艺过程的可控性，这对于规模化生产至关重要。 韧性断裂 能与玻璃纤维和碳纤维树脂糊相容的PPA和PA6树脂基拉挤型材部件韧性更佳，断裂模式也为韧性断裂。尽管韧性断裂模式的获得损失了挡风玻璃框架所能传递的部分载荷，但这却显著提高了白车身的结构完整性和综合使用性能。 尽管在项目结题报告中，宝马公司并未具体指出其倾向的材料组合，但报告总结称，最终的模拟和测试结果表明，“骨架”结构超越了单纯的碳纤维增强复合材料部件除扭转刚度以外所有的性能指标，而扭转刚度对于挡风玻璃框架来说并非关键数据。与普通的碳纤维复合材料部件相比，“骨架”结构部件碰撞过程的载荷水平和能量吸收水平都更为优异。同时，该部件具有韧性断裂模式，不但进一步提高了复合材料结构的碰撞断裂性能，还明确了其断裂行为与白车身整体结构间的关系。 “骨架”设计的未来应用 在结题报告中，宝马公司称将“骨架”设计理念应用于另外6个汽车部件时，同样能够显著降低生产成本、原材料成本和工装成本。SGL公司也建议将该技术应用于汽车及航空座椅、仪表盘、机器手臂、X光工作台等领域。 对“骨架”设计理念的研究并未止步，在随后开展的研发项目MAI Multiskelett中，该设计方法被扩展到了多轴向应力部件，重点研究了轴承部件和拉挤型材的连接部分，特别是有多条载荷路径交叉的大型结构件。此处暂不赘述。 “骨架”理念设计的挡风玻璃横向框架结构件，采用拉挤工艺和复合模塑工艺，有效缩短了工艺周期、减少了材料浪费，诠释了碳纤维在单向载荷结构件上的有效利用方式，是下一代碳纤维增强复合材料设计和规模化生产的典型示范。同时，将其他部件产生的碳纤维边角料用于制作复合模塑工艺所需的树脂糊，能够有效提高部件的功能性和使用性能，是提高复合材料可持续性的有效方法。
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