摘 要

随着社会需求不断地提高，再加上科学技术的快速发展，汽车为了实现各项性能要求材料具备各种力学性能。铝基复合材料以其优异的力学性能成为当今研究最热的材料，并已经获得汽车领域的好评。

本文首先对铝基复合材料进行了概述，介绍了铝基复合材料的研究背景和意义，分析了各种铝基复合材料制备方法的特点。接着介绍了本实验中原材料的选取、铝基复合材料的制备过程和原理，以及误差分析方法。然后借助真实应力-应变曲线揭示了碳纤维含量对铝基复合材料力学性能的影响，并分析了实验结果误差产生的影响因素。最后对实验结果进行了总结，分析了实验过程所存在的不足以及对未来的展望。

本项目结果表明：随着碳纤维含量的增加，铝基复合材料的抗拉强度和弹性模量都会增加，而塑性延伸率变小，这样的变化机制与材料的属性是相对应的。

本项目研究的特色在于：本课题采用了复合轧制的方法制备了碳纤维增强铝基复合材料。

关键词：铝基复合材料；碳纤维；复合轧制；力学性能

Abstract

With the continuous improvement of social demand, coupled with the rapid development of science and technology, automobiles put forward certain requirements for materials in order to achieve the performance. Aluminum matrix composites have become the hottest materials for its excellent mechanical properties, and have been well received in the automotive field.

Firstly, this paper summarizes the aluminum matrix composites, introduces the research background and significance of aluminum matrix composites, analyses the characteristics of various preparation –methods of aluminum matrix composites. Then, the selection of raw materials, the preparation process and principle of Al matrix composites are introduced, as well as the error analysis method. Then, the effect of carbon fiber content on the mechanical properties of Al matrix composites was analyzed with the help of true stress-strain curve, and the influencing factors of experimental error were analyzed. Finally, the experimental results are summarized and the shortcomings of the experimental process are analyzed, as well as the future prospects.

The results of this project show that the tensile strength and modulus of elasticity of Al matrix composites increase with the increase of the content of carbon fiber, while the plastic elongation decreases. Such a change mechanism corresponds to the properties of materials.

The characteristics of this project are as follows: carbon fiber reinforced aluminum matrix composites were prepared by composite rolling.

Key words: Aluminum matrix composites; Carbon fiber; Composite rolling; Mechanical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 铝基复合材料的应用领域 2

1.2.1 在汽车领域的应用 2

1.2.2 在航空航天领域的应用 3

1.2.3 在军工业领域的应用 3

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 国内研究现状 4

1.3.2 国外研究现状 4

1.4 铝基复合材料制备方法 5

1.4.1 搅拌摩擦法 5

1.4.2 粉末冶金法 5

1.4.3 低压铸造法 6

1.4.4 真空压力浸渗法 6

1.4.5 复合轧制法 6

1.5 研究的主要内容及预期目标 7

1.5.1 本文的主要内容 7

1.5.2 预期目标 7

第2章 试验方法 8

2.1 原材料的选取 8

2.2 制备方法 8

2.2.1 复合轧制的原理 8

2.2.2 制备过程 10

2.3 拉伸实验 11

2.3.1 测试工具的规范使用 12

2.3.2 实验过程 12

2.3.3 计算 13

2.3.4 误差分析及修正 14

2.4 本章小结 15

第3章 数据分析 17

3.1 实验计算结果 17

3.1.1 真实应力-应变曲线绘制 17

3.1.2 拉伸应力-应变曲线分析 17

3.2 碳纤维对铝基复合材料力学性能的影响 19

3.2.1 弹性模量分析 19

3.2.2 抗拉强度分析 20

3.2.3 伸长率分析 20

3.3 碳纤维增强铝基复合材料破坏机制分析 20

3.4 实验结果误差分析 21

3.5 本章小结 23

第4章 总结与展望 24

4.1 总结 24

4.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.1.1 研究背景

进入21世纪以来，材料工业的快速发展为汽车工业的发展提供了便利条件。材料不仅需要具有轻量化的特点，还需要其具有高强度，高模量等优点，并且还能耐高温。目的是在确保汽车行驶安全性的同时提高汽车的燃油经济性。复合材料在社会生产中作为一种重要的材料形式，可以有效地结合两种或多种材料的优异性能。制造汽车时需要各种各样的复合材料，以金属作为基体的复合材料通过优异的性能得到了汽车行业的宠爱，其中作为基体的金属有很多，比如铝，镁等。铝基复合材料在金属基复合材料中地位很高，相对于其他金属基复合材料而言，它抵抗塑性变形的能力强即弹性模量高，膨胀系数比较低并且比较耐磨^[1]。但是现阶段制备铝基复合材料的方法仍存在缺陷，比如增强相分布不均匀等，所以汽车领域投入了大量的人力物力研究制备铝基复合材料的方法，使制备出的铝基复合材料力学性能最优。

1.1.2 研究意义

现如今，世界上各个国家都面临着能源的供给跟不上经济发展的问题，能源的获取和再造是每个国家所考虑的首要问题。地球上不能够再生的化石燃料总有一天会被使用完，而且在使用化石燃料的同时会严重地污染我们的空气，危害我们身体的安康。对于汽车来说，既能减少百公里所要消耗的燃油提高燃油经济性，又要保证汽车百公里加速的能力是我们所要研究的东西，汽车轻量化是可以将两者结合起来的有效措施。铝合金作为一种轻量化材料，在汽车工业领域中的应用越来越广泛，但其机械性能相对于传统的汽车用钢还有一定的差距。从上个世纪以来，科学家们已经为制备铝基复合材料付出了无数的青春和汗水，这也让铝基复合材料的制备技术取得了一定的成果。在此背景下，本课题拟以车用铝基复合材料为研究对象，这与汽车交通工业的发展方向和国家发展趋势是一致的，它对促进我国汽车行业的发展具有重要意义。

近几十年来，通过世界各国科学家的共同努力，研发出了各种材料的制备工艺和设备。在研究铝基复合材料制备工艺和方法的同时，也获得了很多成果，比如已经研发出了几个不同种类的铝基复合材料，主要包括通过长纤维、短纤维和晶须来增强的铝基复合材料^[2]。在此基础上，本项目拟借助复合轧制，研究制备铝基复合材料的方法，对铝基复合材料制备方法的补充或优化具有一定的作用，并且对优化企业铝基复合材料的制备工艺，降低企业成本，提高企业生产质量具有重要意义。

铝基复合材料包括无机非金属颗粒增强铝基复合材料，金属颗粒增强铝基复合材料，金属片段增强铝基复合材料和金属间化合物增强铝基复合材料^[3]。因为不同的复合材料结构是不一样的，那么不同复合材料增强的方法也是不一样的，因此本项目旨在研究如何对铝基复合材料进行强化。通过研究铝基复合材料的强化方法，可以改善现有铝基复合材料的机械性能，并使得铝基复合材料可以在各个领域中得到应用。

1.2 铝基复合材料的应用领域

铝基复合材料的优异特性相对于其他金属基复合材料更为明显，比如铝基复合材料塑性变形能力较好，相同体积下质量比较轻，并且还有熔点较低等优良的物理特性，同时铝基复合材料的制备方法灵活可控。除此之外，铝基复合材料具有比刚度和比强度高、耐磨性和抗疲劳性良好、热膨胀系数低、耐高温性好等优点，并且研发制取铝基复合材料的技术易于掌握，热处理工艺更容易实现^[4]。最后，铝基复合增强相具有广泛的选择范围，并且可以有效地结合特定的机械性能和物理性质。它可以很好地满足相关产品的要求，因此其应用领域非常广泛。

1.2.1 在汽车领域的应用

张文毓^[5]指出，在汽车运输工业的发展过程中，铝基复合材料的研究最先开始起步。由于铝基复合材料的力学性能优异，成果转化率比较高，所以在汽车领域中研究最多，起步最早，花费人力物力也最多的也是铝基复合材料。和其他种类的金属基复合材料相比，铝基复合材料已经使得大型车企获取了一定的利润，这也是铝基复合材料能在企业中占有一地之席的原因。