本发明专利技术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。本发明专利技术通过引入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。结构设计与性能优化。结构设计与性能优化。
【技术实现步骤摘要】
一种双纤维协同增强钛铝层状复合材料及其制备方法
[0001]本专利技术属于复合材料领域，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。
技术介绍
[0002]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-reinforced metallic-intermetallic laminated (CFR-MIL) composites [J]. Materials Science and 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
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/Al3Ti) ceramic-fiber-reinforced metal-intermetallic-laminated (CFR-MIL) composites [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 722:427-437./C. Lin, F. Jiang, Y. Han, et al., Microstructure evolution and fracture behavior of innovative Ti-(SiC
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/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, et al., Fabrication, mechanical properties and damping capacity of shape memory alloy 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-intermetallic laminated 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。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是提供一种双纤维协同增强钛铝层状复合材料，该复合材料具有强度高、塑性好、密度低等特点。
[0004]实现本专利技术目的的技术解决方案是：一种双纤维协同增强钛铝层状复合材料，该复合材料由多组元构成，包括交替分布的钛层、金属间化合物层，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。
[0005]较佳的，所述的金属间化合物基体包括Al3Ti单相区、（Al3Ti+Al3Ni）多相区。
[0006]较佳的，所述的NiTi纤维、SiC纤维平行排布于同一金属间化合物层中，无明显中心线。
[0007]较佳的，该复合材料包括交替分布的钛层、金属间化合物层，其中，包括4个钛层，3个金属间化合物层。
[0008]上述双纤维协同增强钛铝层状复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）从上至下，按照“钛合金箔-NiTi纤维-纯铝箔-纯钛箔-纯铝箔-SiC纤维-钛合金箔”为一个结构单元，将预处理后的原材料进行叠放，共堆叠3个结构单元，每两根NiTi纤维或SiC纤维在水平方向的间距1~2mm；（2）采用真空热压烧结法，在真空度为10-3 Pa条件下，温度以10 ℃/min的速度由室温升至600 ℃后保温1~2 h，此时压力保持2~3 MPa，随后以1~2℃/min速度升温至630~645 ℃并保温1~2 h，升温过程中压力为1~2 MPa，保温过程中压力降低至0.1 MPa，接下来缓慢升温至645~660 ℃并保温2~5 h，最后随炉冷却至室温，压力保持为2~3 MPa，保温阶段总时长为4~9 h。
[0009]较佳的，钛合金采用TC4；纯铝采用1060 Al；纯钛采用TA1。
[0010]较佳的，SiC纤维采用钨芯SiC陶瓷纤维，通过化学气相沉积法制备，首先在钨芯表面沉积一定厚度的β-SiC，最后再在外表面沉积一层碳涂层，沉积碳涂层的目的是保护SiC，避免其与Al过度反应而影响材料性能，相当于一层保护层，其中，钨芯直径约15μm，碳涂层厚度为0.1 μm。
[0011]较佳的，所述的预处理是指采用金相砂纸对钛合金箔、纯铝箔、纯钛箔及NiTi合金纤维表面进行打磨、去除氧化层，然后于25~40℃下超声水洗15-25 min，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双纤维协同增强钛铝层状复合材料，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的金属间化合物基体包括Al3Ti单相区、（Al3Ti+Al3Ni）多相区。3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的NiTi纤维、SiC纤维平行排布于同一金属间化合物层中。4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，该复合材料由交替分布的钛层、金属间化合物层构成，其中，包括4个钛层，3个金属间化合物层。5.如权利要求1-4任一所述的复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）从上至下，按照“钛合金箔-NiTi纤维-纯铝箔-纯钛箔-纯铝箔-SiC纤维-钛合金箔”为一个结构单元，将预处理后的原材料进行叠放，共堆叠3个结构单元，每两根NiTi纤维或SiC纤维在水平方向上的间距为1~2mm；（2）采用真空热压烧结法，在真空度为10-3 Pa条件下，温度以10 ℃/min的速度由室温升至600 ℃后保温1~2 h，此时压力...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩雨蔷，蔺春发，阙庆华，朱君翊，周雪峰，成然，颜浩然，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：
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