【摘要】：銅包鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料因其具有良好的導(dǎo)電性、低密度、低成本等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于電子、通信等領(lǐng)域。為了提高銅包鋁復(fù)合材料的力學(xué)性能,本課題提出將長(zhǎng)碳纖維引入銅包鋁復(fù)合材料中,探討了復(fù)合成形過(guò)程中傳熱、傳質(zhì)、界面質(zhì)量及其影響因素與控制工藝,為銅包鋁加長(zhǎng)碳纖維充芯連鑄加工技術(shù)提供理論支撐。銅包鋁加長(zhǎng)碳纖維充芯連鑄的工藝原理為:芯部金屬Al與外層金屬Cu分別在上、下兩個(gè)坩堝中熔化和保溫,利用牽引裝置對(duì)引錠頭進(jìn)行牽引,金屬Cu先通過(guò)結(jié)晶器內(nèi)壁和芯部金屬液充芯管構(gòu)成的鑄型中形成外管,芯部Al液再通過(guò)充芯管充填到Cu管里;同時(shí),中心的Cf隨著引錠裝置向下走,凝固的金屬Al將其包裹在內(nèi)部。在連鑄過(guò)程中通過(guò)熱量和原子的擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)雙金屬界面的冶金結(jié)合以及金屬與長(zhǎng)碳纖維的復(fù)合,拉出的棒材通過(guò)結(jié)晶器下端的拉拔模實(shí)現(xiàn)減徑的效果�；诖斯に囋�,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的銅包鋁加長(zhǎng)碳纖維充芯連鑄工藝設(shè)備,并成功制備了外徑為8mm,銅層的厚度為0.3mm,碳纖維的直徑為1mm的銅包鋁加長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料。利用ProCAST軟件對(duì)本連鑄溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,建立了銅包鋁加長(zhǎng)碳纖維充芯連鑄設(shè)備的計(jì)算模型。通過(guò)對(duì)比分析模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可得該模型溫度場(chǎng)模擬結(jié)果具有較高的精度,可以使用固/液界面模擬結(jié)果預(yù)測(cè)連鑄銅管坯質(zhì)量和充鋁效果。對(duì)長(zhǎng)碳纖維形態(tài)、加入數(shù)量(單束/多束)、工藝參數(shù)的影響規(guī)律以及界面結(jié)合性能進(jìn)行了研究,獲得了 Al與Cf復(fù)合的合適溫度為800℃;揭示了銅包鋁加長(zhǎng)碳纖維充芯連鑄過(guò)程中Cu/Al界面反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué);對(duì)不同溫度、時(shí)間條件下Cu在液相中的濃度分布和界面遷移距離規(guī)律進(jìn)行了模擬研究,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了相場(chǎng)模型的準(zhǔn)確性。建立了銅包鋁加長(zhǎng)碳纖維充芯連鑄全流程傳熱傳質(zhì)數(shù)值計(jì)算模型,采用模擬與試驗(yàn)結(jié)合的方法研究了充芯連鑄各工藝參數(shù)對(duì)界面復(fù)合質(zhì)量的影響;對(duì)充芯連鑄工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,建立了界面層厚度與接觸溫度、冷卻速度之間的關(guān)系;確定了制備銅包鋁加長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料的最佳工藝參數(shù)為:銅液溫度1250℃,鋁液溫度800℃,一冷水流量280L/h,二冷水距結(jié)晶器距離50mm,連鑄速度80mm/min,芯管長(zhǎng)度80mm。
【圖文】：

，，得連續(xù)、穩(wěn)定、高強(qiáng)度的結(jié)合界面［３（）］。目前制備金屬?gòu)?fù)合材料的方法主要軋制復(fù)合［３Ｍ５］、連續(xù)鑄軋［３６］、反向擠壓［３７］、爆炸復(fù)合［３８４（）］、鑄造復(fù)合［４Ｕ４等，，其中鑄造復(fù)合的方法又包括離心鑄造法、重力傾倒鑄造、鑲鑄工藝、模鑄造法以及連續(xù)鑄造法［３（），４５，４６］。連續(xù)鑄造法所制備金屬?gòu)?fù)合材料界面結(jié)良好，且該方法易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，因此受到越來(lái)越多的重視４４＿４８］。年來(lái)發(fā)展的連續(xù)鑄造法又包括軋輥復(fù)合連鑄法［４９］、液固鑄軋法、復(fù)合線(xiàn)材鑄拉法、反向凝固連鑄法［５（）＿５２］、水平磁場(chǎng)制動(dòng)復(fù)合連鑄法［５３］、電渣包覆鑄法雙流澆注連鑄法［４４］、雙結(jié)晶器連鑄法［５５］、充芯連鑄法［５６］等。逡逑（１）軋制復(fù)合法逡逑軋制復(fù)合屬于典型的固－固結(jié)合方式，主要用于金屬?gòu)?fù)合板坯的成型［５７—５該方法利用軋輥之間所產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力將兩種金屬表面的氧化膜破碎，使露出的新鮮金屬原子間形成原子鍵，依靠原子之間金屬鍵的相互吸引力使種金屬結(jié)合在一起［３３］。對(duì)于此技術(shù)，金屬之間以機(jī)械接觸方式獲得接觸由于應(yīng)力集中的存在，很容易在界面處出現(xiàn)微裂紋，甚至?xí)䦟?dǎo)致大的裂紋展，引起材料破壞［Ｍ］。圖１－１所示為銅鋁銅復(fù)合板軋制示意圖。逡逑

擠壓復(fù)合法是對(duì)放在擠壓筒內(nèi)的坯料施加壓力，使之從�？琢鞒觯@得逡逑所需斷面形狀和尺寸的一種塑性成形方法，屬于固－固結(jié)合方式。目前應(yīng)用比逡逑較廣泛的是靜液擠壓法，其工藝原理圖如圖１－２所示，其最大的特點(diǎn)是在擠逡逑壓過(guò)程中，坯料的周?chē)錆M(mǎn)粘性介質(zhì)，這能保證材料從表層到芯部都能保持逡逑比較均勻的變形，從而保證復(fù)合質(zhì)量，同時(shí)對(duì)磨具的磨損也能夠降低［６１〗。逡逑擠壓{囧危義希ⅲ裕卞危掊紋克�，辶x�？邋貑�(wèn)╁義稀煎我病㈠邋澹�？邋＊邋￣邋邋邋逦－￣￣辶x希保義希卞危掊危"坯料逡逑圖１－２靜液擠壓法原理圖逡逑（３）鑄造復(fù)合法逡逑鑄造復(fù)合方法中兩種金屬之間的結(jié)合多為液－固，液－液，或者液－半固態(tài)逡逑的結(jié)合方式。逡逑①ＣＰＣ法逡逑ＣＰＣ邋法（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋Ｐｏｕｒｉｎｇ邋Ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｆｏｒ邋Ｃｌａｄ）即連續(xù)饒注復(fù)合法［５４’６２］，逡逑其結(jié)合方式為液－固結(jié)合，其原理如圖１－３所示。在鑄造過(guò)程中，先將芯材與逡逑牽引裝置連接并安置在結(jié)晶器中，然后澆注外層熔體，金屬液在結(jié)晶器中凝逡逑固將芯材包裹
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB331;TG249.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2627881