2024年6月2日发(作者：刀枫)
2023 年
第 3 期
第 43 卷
第 105 – 115 页
航 空 材 料 学 报
JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS
2023，Vol. 43
No.3 pp.105 – 115
国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的
显微组织和弯曲性能
金 乐, 蔡长春, 余 欢, 徐志锋, 王振军, 李 阳
（南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室, 南昌330063）
摘要：研究国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和致密度以及在室温和350 ℃下的弯曲性能。结果表
明：国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的致密度为98%，显微组织无明显缺陷，仅存在少量的纤维团聚现象和浸渗
微孔缺陷；在室温和350 ℃的弯曲强度分别为505 MPa和335 MPa，弯曲模量分别为158 GPa和138 GPa，表现出
优良的室温、高温弯曲性能。
关键词：国产M55J碳纤维；三维五向；C
f
/Al复合材料；弯曲性能
doi：10.11868/.1005-5053.2022.000100
中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2023)03-0105-11
*
Microstructure and bending properties of domestic three-dimensional
five-directional M55J C
f
/Al composites
JIN Le, CAI Changchun, YU Huan, XU Zhifeng, WANG Zhenjun, LI Yang
（Nation Defense Key Discipline Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology, Nanchang HangKong University,
Nanchang 330063, China）
Abstract: The microstructure, densification and bending properties of domestic three-dimensional five-directional M55JC
f
/Al
composites at room temperature and 350 ℃ were studied. The results show that the density of domestic three-dimensional five-
directional M55JC
f
/Al composites is 98%, and there are no obvious defects in the microstructure, only a small amount of fiber
agglomeration and infiltration micropore defects is existed. The bending strength at room temperature and 350 ℃ is 505 MPa and
335MPa respectively, and the bending modulus is 158 GPa and 138 GPa respectively, showing excellent bending properties at room
temperature and high temperature. The research results have a certain role in the development of fiber-reinforced aluminum matrix
composites.
Key words: domestic M55J carbon fiber；three-dimensional five-directional；C
f
/Al composites；bending properties
*
随着航空航天技术的发展，对材料性能的要求
也越来越高。相对于传统金属材料，碳纤维金属基
复合材料具有密度低、抗拉强度高、弹性模量好等
优点备受关注，在某些性能上超过陶瓷基复合材
料和树脂基复合材料，展现了广阔的应用情景。然
而半个世纪以来，高性能碳纤维等一系列技术一直
被外国封锁，导致我国航空航天领域所应用的大部
分碳纤维还主要来依赖进口。高性能碳纤维关系
到国家战略安全，因此，研制高性能碳纤维和实现
[1]
碳纤维国产化迫在眉睫
[2-4]
。
[5-7]
近十几年来，我国在碳纤维产业关键性技术和
产业化生产以及应用方面取得了突破性进展
潘月秀等
[8]
。
对国产T800碳纤维环氧树脂基复合材
料的压缩性能进行了研究，结果发现随着碳纤维直
径的增加，压缩性能提升，但失效方式改变；张海燕
等
[9]
研究了两种T700级Ⅰ、Ⅱ型国产纤维显微组
织和相应的树脂基复合材料的基本力学性能，并且
与日本东丽公司生产的T700碳纤维进行了比较，
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106
航 空 材 料 学 报
第 43 卷
发现国产Ⅰ型碳纤维相较于国产Ⅱ型的力学性能
更稳定，其弯曲和拉伸性能可以达到日本东丽
T700碳纤维的水平；李国丽等
[10]
Al复合材料，研究其微观组织、室温和350 ℃下的
轴向弯曲性能，对不同温度下的弯曲失效行为进行
分析，并和相同条件下用日本东丽M40J纤维制备
的三维五向C
f
/Al复合材料的微观组织和轴向弯曲
性能
[18]
发现室温下国产
T700级碳纤维增强双马树脂基复合材料比东丽
T700S增强双马树脂基复合材料的界面黏结性能
好、韧性更加优异，冲击后的压缩强度可以跟外国
先进复合材料IM7/5250-4相媲美；张芳等
[11]
进行对比。
对国
产CCF700-12K碳纤维及复合材料的性能展开了
研究，结果表明，该国产碳纤维及其复合材料有着
良好的力学性能和热性能，符合复合材料结构工程
的应用标准；曹莉娟等
[12]
1 实验材料和方法
1.1 实验材料
选用中科院宁波研究所研制的M55J-3K碳纤
研究了由低温碳化技术
维为增强体材料，利用三维五向编织技术编织成体
积分数约为50%三维五向结构的预制体，三维五
向结构如图1，织物结构是由一束母向不动纱和四
束编织纱线所构成，每束编织纱与母向不动纱编织
时都形成一定的角度。M55J碳纤维性能参数见
表1，基体选用ZL301合金，其中Mg元素的存在
可以明显改善铝液与纤维之间的浸润性能，还可抑
制有害界面产物Al
4
C
3
相的生成。在相同条件下，
基体选用ZL301合金制备出的C
f
/Al复合材料相
对于ZL102合金、ZL114A合金和ZL205合金制备
出C
f
/Al复合材料的拉伸强度分别提升86.47%、
79.83%和49.74%
1.2 实验方法
将三维五向编织预制体放入设计好的石墨模
具，盖上上板并夹紧，然后用不锈钢板将模具焊接
封装，并在封装好的模具下端中央焊接一根不锈钢
管作为导液管。封装示意图如图2所示。
[19]
制备得到的低导热聚丙烯晴（PAN）基碳纤维及其
复合材料的性能，发现其复合材料的隔热性能比常
规的MT300隔热碳纤维复合材料的性能要优越；
李健芳等
[13]
研究了国产MT300-30K、JH300-3K和
东丽T300-3K碳纤维及其环氧树脂复合材料的界
面性能，发现三者微观形貌几乎一致，而两种国产
碳纤维的宏观弯曲性能及剪切性能都与东丽T300-
3K性能接近。乔伟静等
[14]
研究了电化学氧化对
国产聚丙烯晴（PAN）基M55J碳纤维表面结构和
化学结构的影响，结果发现电化学氧化可以提升碳
纤维的拉伸强度。顾姝等
[15]
研究了国产纤维M55JC
f
/
Al复合材料的不同温度拉伸性能，发现国产
M55JC
f
/Al复合材料拉伸性能优异。但国产碳纤维
的研究大部分都是对碳纤维树脂基复合材料性能
的研究，而对国产碳纤维金属基复合材料的性能少
有研究。
复合材料的弯曲性能是表征复合材料的力学
性能及其重要的技术指标之一。兰泽宇等
[16]
。ZL301合金主要元素成分如
表2，三维五向编织结构工艺预制体参数见表3。
对叠
层缝合结构M40JC
f
/Al复合材料高温下弯曲性能
进行了研究，发现温度上升，弯曲强度跟弯曲模量
并未大幅度下降，其高温稳定性好；冯景鹏等
[17]
研
究了三维正交M40JC
f
/Al复合材料的弯曲性能，发
现温度对三维正交M40JC
f
/Al复合材料的弯曲性
能影响较大。国产三维编织结构C
f
/Al弯曲性能研
究鲜见报道。国外较常用的东丽M40J纤维对应国
内的是国产M55J纤维，这两种纤维相关应用文献
报道也较少见，本工作以国产碳纤维M55J所编织
成的三维五向预制体为增强体材料，ZL301铝合金
为基体，通过真空压力浸渗法制备三维五向M55JC
f
/
图 1 三维五向结构示意图
Fig. 1 Three-dimensional five-directional structure diagram
表 1 M55J碳纤维性能的主要参数
Table 1 Main performance parameters of M55J carbon fiber
Diameter/μm
4.5
Tensile modulus /GPa
540
Tensile strength /MPa
4300
Elongation /%
0.8
Density /(g
•
cm)
1.91
−3
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国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和弯曲性能
107
表 2 ZL301合金化学成分 （质量分数/%）
Table 2 Composition of ZL301 alloy（mass fraction/%）
Mg
9.5-11.0
Si
0.3
Zn
0.15
Ti
0.15
Mn
0.15
Cu
0.1
Al
Bal
采用真空压力浸渗法制备三维五向结构
M55JC
f
/Al复合材料。将切割好的ZL301基体合
金放入坩埚，等电阻炉升温到690 ℃左右，将坩埚
放入电阻炉中熔炼，在熔炼一段时间后，坩埚中加
去精炼剂，除去杂质，然后将精炼铝液和封装好的
模具分别放入真空压力浸渗炉上下室中，关闭炉
盖，抽真空后充入氩气，然后按照设定的温度对炉
内加热，待炉内温度达到设定温度后，保温一段时
间，泄压再抽真空，随后升起坩埚，使导液管下端浸
没在熔融铝液中，再往炉内输送氮气致使炉内气压
达到8 MPa，在压强的作用下，铝液冲到模具内，铝
液与预制体相互结合，保压20 min，确保充型完成，
然后泄压，冷却至室温，取出封装件进行脱模，取出
浸渗完成的三维五向结构复合材料试样。真空压
力浸渗炉结构示意图如图3所示。
表 3 三维五向编织结构预制体参数
Table 3 Preform parameters of three-dimensional five-directional structure
Size of
fabric/mm
170×40×5
Yarn
specification
Movable yarn：3K×3yarns
Immovable：3K×2yarns
Female knot
−1
（mm•10 knot）
53
Circumferential
−1
knot（mm•10 knot
）
11
Fiber volume
fraction/%
50
1.3 性能测试与表征
参照国标GB/T1449—2005《纤维增强塑料弯
在弯曲负荷作用下断裂所承受的最大应力，N；h为
试样厚度，mm；
ω
为试样宽度，mm。
弯曲应变可根据式(2)计算得出：
ε
f
=
6∆δh
L
2
(2)
曲性能试验方法》进行，按试样标准利用线切割将
试样件加工成如图4所示的标准弯曲试样，在弯曲
测试之前，将试样表面打磨并清洗油污，防止对测
试结果造成影响。在Inspekt100三点弯曲试验机
上进行三点弯曲实验，计算得到复合材料的弯曲强
度和弯曲模量，横梁加载速率为1.5 mm/min。
弯曲强度是试样在弯曲负荷作用下断裂时所
能承受的最大应力，可根据式(1)计算得到：
3PL
σ
f
=
2ωh
2
式中ε
f
为弯曲应变，mm/mm；
∆δ
为跨距中央挠度，
mm。h、L跟式（1）相同。
弯曲模量是弯曲应力与弯曲形变之比，可以根
据式(3)计算得出：
Lifting mechanism
(1)
Package
Crucible
Vacuum roots pump
Graphite mould
Cooling water
Insulation layer
Heating coil
Digital control
device
Gas conveying device
式中：
σ
f
为弯曲强度，MPa；L为跨距，mm；P为试样
Stainless
steel mould
Power supply
Fluid tube
Crucible lifting device
图 3 真空压力浸渗炉结构示意图
图 2 石墨封装实物图
Fig. 2 Physical drawing of graphite package
1
0
Fig. 3 Structure diagram of vacuum pressure infiltration
equipment
150
图 4 三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲试样尺寸
Fig. 4 Size of the bending specimen of three-dimensional five-directional M55J C
f
/Al composites
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108
E
fc
=
∆σ
L
3
∆P
=
∆ε
4∆δh
3
ω
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(3)
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表 4 国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的致密度
Table 4 Densification of domestic three-dimensional five-dir-
ectional M55J C
f
/Al Composites
Specimen
1
2
3
#
#
#
式中：
E
fc
为弯曲模量；
∆σ
为弯曲应力增量；
∆ε
为弯
曲应变增量。
在制备的国产M55JC
f
/Al复合材料试样件上
取3个尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的试样，根据
阿基米德排水法计算出致密度；采用Quanta2000
扫描电子镜(SEM)、D8ADANCE型X射线衍射分
析仪以及INCA6650能谱分析仪观察复合材料的
微观形貌和物相。用光学显微镜(OM) 观察弯曲失
效处形貌。
Density/%
97.86
98.04
97.95
97.95Average
维分布均匀，预制体结构保存完整，但从图6(a-1)
中可以观察到纤维偏聚现象，这是因为三维五向结
构的预制体在编织中每束编织纱和母向不动纱都
形成一定的角度，沿轴向方向浸渗充型过程中，铝
液在高压强的作用下沿轴向流动，并对与周向不动
纱形成角度的编织纱冲击，使部分纱线堆积在一
起，形成纤维偏聚现象；图6(a-2)可以在纤维偏聚
处发现一些细小的微孔缺陷，缺陷所占比例为
3%。原因是偏聚处的编织纱都相互堆积在一起，
使其间的缝隙变小，铝液在浸渗偏聚处的纤维丝时
需要克服更大的阻力，并且熔融铝液与碳纤维的湿
润性相对较差，从而易造成微孔缺陷。从图6(b-1)
和(b-2)可以看出轴向显微组织缺陷相对较少，但
存在个别“豌豆”状纤维丝。因为铝液是沿轴向
浸渗，浸渗时轴向纤维并不会受到很大影响，因此
轴向纤维组织缺陷相对少。对于个别的“豌豆”
状纤维丝，可能是由于基体合金与纤维的热膨胀系
数不一样，在冷却过程中，基体冷却收缩受拉，纤维
侧受压，产生较大残余拉应力，易使复合材料中的
纤维丝形状变形，由原先的圆形状变成“豌豆”状。
图7为相同条件下制备的三维五向M40JC
f
/
Al复合材料的周向和轴向显微组织，也存在偏聚现
2 实验结果与分析
2.1 致密度与微观组织
对于采用真空压力浸渗法浸渗成型的C
f
/Al复
合材料，致密度是影响C
f
/Al复合材料的力学性能
重要因素之一，它能衡量复合材料试样浸渗成型的
好坏。而影响C
f
/Al复合材料致密度的因素主要有
两种：一是铝液浸渗方向，二是纤维在排布过程中
的交织点数量。三维五向C
f
/Al复合材料预制体需
要编织成一个整体，纤维束在5个方向相互交织缠
绕形成很多个交织点，并且减少了纤维之间的缝
隙，使铝液与纤维相互结合变得困难，从而影响材
料的致密度。用阿基米德排水法测得的致密度如
表4示，平均值是97.95%，其数值较高，说明浸渗
效果良好。
图5为三维五向M55JC
f
/Al和三维五向M40JCf/
Al复合材料试样实物图，图6为三维五向M55JC
f
/Al
复合材料的显微组织。从图6(a-1)和(a-2)可以看
出浸渗完整，纤维与纤维之间完全被铝液填充，纤
(a)
Longitudinal
(b)
5 mm
Transversal
5 mm
Longitudinal
5 mm
Transversal
5 mm
图 5 两种三维五向复合材料试样实物图 （a）M55JC
f
/Al；（b）M40JC
f
/Al
Fig. 5 Physical drawings of two kinds of three-dimensional five-directional composite samples （a）M55J C
f
/Al ；（b）M40JC
f
/Al
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国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和弯曲性能
(a-1)(a-2)
109
Fiber segregation
Infiltration
microporous
200 μm
(b-1)(b-2)
Pea-shaped
fibers
20 μm
Fiber segregation
200 μm
20 μm
图 6 三维五向M55JC
f
/Al复合材料显微组织 （a） 周向； （b）轴向； （1）低倍； （2）高倍
Fig. 6 Microstructures of three-dimensional five-directional M55J C
f
/Al composites （a） transversal; （b） longitudinal;
（1） low magnification; （2） high magnification
象和浸渗微孔缺陷。对比之下，国产三维五向
M55JC
f
/Al复合材料跟M40JC
f
/Al复合材料的显微
组织无显著差异。
后的微观形貌。从图8(a)可以看出国产M55J碳
纤维原丝为棒状型，表面光滑但有很多深浅不一的
沟痕，这种深浅不一的沟痕有助于铝液和纤维更加
紧密的结合，使浸渗效果更佳，但这些沟痕在承受
载荷时，容易成为应力集中点，当应力慢慢增大时，
(a-2)
2.2 碳纤维浸渗前后的表面形貌及黏附物EDS分析
图8(a)和(b)分别为国产M55J碳纤维浸渗前
(a-1)
Fiber segregation
Infiltration
microporous
100 μm
(b-1)(b-2)
20 μm
Infiltration
microporous
Infiltration
microporous
Pea-shaped
fibers
100 μm
20 μm
图 7 三维五向M40JC
f
/Al复合材料显微组织 （a） 周向； （b）轴向； （1）低倍； （2）高倍
Fig. 7 Microstructures of three-dimensional five-directional M40JC
f
/Al composites （a） transversal; （b） longitudinal;
（1） low magnification; （2） high magnification
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纤维首先在应力集中点遭到破坏从而达不到理想
效果。用浓度为10%NaOH溶液对国产M55JC
f
/
Al复合材料试样腐蚀，再提取纤维丝，用丙酮清洗
干净并晾干，再用扫描电子显微镜观察浸渗后的纤
维丝原貌。图8(b)是浸渗后国产M55JC
f
/Al复合
材料的纤维丝形貌，对比未浸渗的纤维丝原貌，浸
渗后的纤维丝表面变得粗糙且表面有黏附物，黏附
物大部分都处于沟痕处，侧面证明了沟痕使铝液与
纤维结合更加紧密。基体与碳纤维之间的界面结
合强度为5～10 MPa。
(b)
(a)
2 μm2 μm
图 8 国产M55J碳纤维浸渗前后表面形貌 （a） 浸渗前； （b）浸渗后
Fig. 8 Surface morphologies of domestic M55J carbon fiber before and after impregnation （a） before impregnation;
（b）after impregnation
为了探究浸渗后国产三维五向M55J纤维上的
黏附物元素组成，对黏附物进行EDS能谱分析。
图9为浸渗后M55J纤维表面的黏附物和EDS
能谱图。从EDS能谱图中可以看出黏附物的元素
(a)
组成成分主要是C元素，但存在一定量的Mg、Al、
Si元素。说明在铝液与纤维接触时发生了反应，生
成相对应的产物。
C
(b)
+
Sepectrum 1
MgSi
Al
5 μm
012
E/keV
34
图 9 浸渗后M55J纤维分析 （a）测试点； （b） EDS分析
Fig. 9 Analysis of M55J fiber after infiltration （a） test point; （b） EDS analysis
进一步探究基体合金与纤维反应生成物，对制
备的国产M55JC
f
/Al复合材料进行X射线衍射
（XRD），分析其衍射图谱。图10为M55JC
f
/Al复
合材料XRD图谱和成分比例饼状图。从图10可
以看出，Al、C相衍射峰较高，分别占58.7%和
34.5%，而新生成的Al
4
C
3
、Al
3
Mg
2
相的衍射峰较
低，含量较少，分别占4.5%、2.3%。Al
4
C
3
相的生成
进一步证实了铝液与纤维在结合时发生了界面反
应。Al
4
C
3
相是一种脆性相，非常容易发生水解，发
生如下反应（式（4）、（5）），影响复合材料的界面性
能，从而影响复合材料的力学性能和物理性能。因
此要得到高性能的国产三维五向M55JC
f
/Al复合
材料，需要在增加湿润性时，同时抑制界面上
Al
4
C
3
相的形成。Mg元素在改善铝液与纤维之间
湿润性的同时，也可以抑制Al
4
C
3
的生成。本实验
选用的基体合金是Al-Mg系铸造合金，可以提高
C
f
/Al复合材料的力学性能。
Al
4
C
3
(s)+15H
2
O(g)→3CH
4
(g)+4Al(OH)
3
(s)(4)
Al
4
C
3
(s)+18H
2
O(l)→3CO
2
(g)+4Al(OH)
3
(s)+12H
2
(g)
(5)
2.3 复合材料不同温度下弯曲性能
图11为两种复合材料室温下和350 ℃下的轴
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国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和弯曲性能
(a)
•
•
♦−C
•−Al
♣-Al
4
C
3
♥−Al
3
Mg
2
(b)
Al
58.7%
111
♦
♦
♣
1020304050
2θ/(°)
60
•
♦
7080
Al
4
C
3
4.5%
C
34.5%
Al
3
Mg
2
2.3%
图 10 三维五向M55JC
f
/Al复合材料组织分析 （a） XRD图谱； （b）成分比例饼状图
Fig. 10 Microstructure analysis of three-dimensional five directional M55JC
f
/Al composites （a） XRD pattern; （b） composition
scale pie chart
向弯曲强度和弯曲模量。从图11（a）可以看出，国
产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在室温下和350 ℃
下的弯曲强度分别是505 MPa、335 MPa，弯曲模
量分别是158 GPa、138 GPa。350 ℃下的弯曲强度
相对于室温下降了33.7%，弯曲模量下降了12.7%。
随着温度的升高，国产三维五向M55JC
f
/Al复合材
料的弯曲强度和弯曲模量均下降，但弯曲强度下降
幅度较大。由图11（b）看出
[18]
，三维五向M40JC
f
/Al
复合材料在室温和350 ℃下的弯曲强度以及弯曲
模量，分别为401 MPa、266 MPa和137 GPa、117
GPa。对比两种复合材料弯曲性能数据，国产三维
五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲性能更优异。说明
国产M55J碳纤维编织得到预制体的增强效果在弯
曲性能方面优于日本东丽公司M40J纤维。
500
(b)
137
Bending strength
Bending modulus
117
266
160
B
e
n
d
i
n
g
m
o
d
u
l
u
s
/
G
P
a
[18]
600
B
e
n
d
i
n
g
s
t
r
e
n
g
t
h
/
M
P
a
500
400
300
200
100
0
(a)
505158
B
e
n
d
i
n
g
m
o
d
u
l
u
s
/
G
P
a
B
e
n
d
i
n
g
s
t
r
e
n
g
t
h
/
M
P
a
Bending strength
Bending modulus
138
335
Room temperature350 °C
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
401
140
120
100
80
400
300
200
100
0
60
40
20
Room temperature350 °C
[18]
0
图 11 两种三维五向复合材料的轴向弯曲性能 （a）M55JC
f
/Al；（b）M40JC
f
/Al
Fig. 11 Axial bending properties of two kinds of three-dimensional five-directional composites （a）M55JC
f
/Al；（b）M40JC
f
/Al
三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲过程中，中
间层外侧受到拉伸载荷作用，而中间内侧则受到压
缩载荷作用，因此弯曲测试一定程度上也能看出
M55JC
f
/Al复合材料受到压缩载荷时的表现。由于
制备出的三维五向M55JC
f
/Al复合材料试样存在
界面反应和微孔缺陷，在350 ℃下，ZL301基体合
金的软化导致界面结合变弱且微观缺陷对复合材
料的影响被放大，并且复合材料的内侧面受到压缩
载荷，使碳纤维与基体的界面容易产生弯曲变形，
导致界面处出现裂纹，裂纹迅速扩散导致复合材料
更早失效，因此弯曲性能下降。此外由于三维五向
编织结构母向不动纱周围存在四个方向的周向编
织纱，这就导致在弯曲过程中内侧面弯曲处的编织
纱线会相互挤压。随着温度升高到350 ℃，ZL301
基体合金开始逐渐软化，基体对纤维的束缚减小，
基体与纤维在界面处的结合力下降，使编织纱受到
的挤压作用增大，而且高温下基体侧残余应力的减
小对受压面基体承载不利，进一步导致弯曲性能下降。
2.4 复合材料弯曲失效行为
图12是国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在
室温下和350 ℃下弯曲失效处的形貌。可以从
图12(a-1)～(a-3)中可以看出，基体与纤维结合处
破坏，并且试样外侧面出现小裂缝。图12(b-1)～(b-3)
可以观察到试样内侧面出现“鼓包”并且开裂，纤
维裸露，试样外侧面出现一道横穿试样的裂缝，基
体与纤维结合处破坏更加明显。由此可见三维五
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112
航 空 材 料 学 报
第 43 卷
向M55JC
f
/Al复合材料室温的弯曲性能优于高
温。在三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲过程中，
试样内侧面受压应力，外侧面受拉应力，由于在浸
渗充型过程中三维五向M55JC
f
/Al复合材料内部
存在浸渗微孔缺陷和纤维偏聚现象，试样外侧面受
拉过程中，内部微孔在拉应力的作用下逐渐扩展延
伸变成裂缝。弯曲过程中轴向纱相当于受到垂直
载荷的作用，轴向纱出现弯曲，随着载荷的持续增
大，弯曲程度也加剧，由于碳纤维耐拉不耐压的特
点也易使表面产生裂缝。试样内侧面由于受到压
应力的作用，受压处的基体合金会产生应力集中，
导致受压处的基体合金受到挤压，并且内部纤维也
会相互挤压，随着载荷的持续增大，受压处的基体
合金和纤维挤压程度越来越大，最终导致受压处复
合材料出现“鼓包”（团簇）现象。在350 ℃下，
ZL301合金基体软化，基体对纤维的束缚减小，基
体合金不能有效地将弯曲载荷传递给纤维，使基体
承受较大的弯曲载荷，容易造成基体开裂。并且纤
维束之间的挤压作用增大，试样内侧受压面也出现
裂缝。在弯曲过程中，基体与编织纱的结合处易出
现明显裂纹。基体与纤维之间的界面结合强度对
复合材料弯曲变形的影响较大。
(a-3)
(a-1)
Fiber-matrix
bond failure
(a-2)
Bulging and cracking of the
specimen
Cracking of the specimen
3 mm
(b-1)(b-2)
3 mm
(b-3)
3 mm
Fiber-matrix
bond failure
Bulging and cracking
of the specimen
Cracking of the specimen
3 mm
3 mm
3 mm
图 12 国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲失效处的形貌 （a） 室温； （b）350 ℃；（1）基体与纤维脱粘；（2）鼓泡；（3）开裂
Fig. 12 Morphologies of bending failure of three-dimensional five-directional M55JC
f
/Al composites （a） room temperature;
（b） 350 ℃；（1）fiber-matrix bond failure；（2）bulging；（3）cracking
图13是三维五向M40JC
f
/Al复合材料在室
温和350 ℃下弯曲失效处的形貌，从图13(a-1)～
(a-3)中可以看出室温下的M40JC
f
/Al复合材料发
生了试样内侧面“鼓包”开裂与外侧面开裂。由
图13(b-1)～(b-3)看出，350 ℃下的M40JC
f
/Al
复合材料中央处出现也出现“鼓包”（团簇）现象、
基体与纤维结合处破坏，基体表面开裂，还有一道
贯穿试样的明显大裂缝。室温与350 ℃下的三维
五向M40JC
f
/Al复合材料试样破坏机理与三维五
向M55JC
f
/Al复合材料相同。两种复合材料在室
温下和350℃下弯曲表现对比，明显看出国产三维
五向M55JC
f
/Al复合材料的弯曲性能比东丽三维
五向M40JC
f
/Al复合材料弯曲性能优异。
图14为两种三维五向复合材料室温和350 的
弯曲载荷-位移曲线图。从图14（a）可以看出，三维
五向M55JC
f
/Al复合材料初始阶段曲线呈现出线
性特征，复合材料处于弹性变形阶段，挠度-载荷曲
线呈直线上升趋势，且室温较高温更加明显，其载
荷增量大而位移增量少，复合材料均在较小的位移
量时即发生失效。在室温下，曲线达到最大载荷后
开始下降，轻微卸载后，发生了线弹性变化，曲线又
出现小段上升过程（图14(a-1)）。发生轻微卸载的
原因是微孔缺陷对界面载荷传递造成影响。曲线
呈非线性特征，此时复合材料处于弹性变形和塑性
变形并存阶段。最后再缓慢卸载直至失效。其弯
曲破坏行为与塑性材料相似即“假塑性效应”特
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第 3 期
(a-1)
Fiber exposure
国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和弯曲性能
(a-2)(a-3)
113
Cracking of the specimen
1 mm
(b-1)
Fiber-matrix bond failure
(b-2)
Bulging and cracking
of the specimen
1 mm
(b-3)
Cracking of the substrate
surface
1 mm
Bulging and cracking
of the specimen
1 mm1 mm1 mm
图 13 三维五向M40JC
f
/Al复合材料弯曲失效处的形貌 （a） 室温； （b）350 ℃；（1）基体与纤维脱粘；（2）鼓泡；（3）开裂
Fig. 13 Morphologies of bending failure of three-dimensional five-directional M40JC
f
/Al composites （a） room temperature;
（b） 350 ℃；（1）fiber-matrix bond failure；（2）bulging；（3）cracking
征，存在二次承载面，但350 ℃下没有发生此现
象，复合材料在达到极限载荷后即开始缓慢卸载，
这与高温下复合材料内部损伤积累较快有关，复合
材料较早发生严重损伤。
图14（b）
[18]
线图对比，两者室温和350 ℃下的轴向弯曲载荷-
位移曲线变化趋势相同，但350 ℃下两者的载荷-
位移图有一定区别，三维五向M55JC
f
/Al复合材料
试样数据曲线密集，而三维五向M40JC
f
/Al复合材
料试样曲线较分散，其中试样2数据曲线远离试样
1、3曲线，原因可能是三维五向M40JC
f
/Al复合材
料试样2内部组织缺陷较少，弯曲性能较好，弯曲
1000
800
L
o
a
d
/
N
600
400
200
(a-2)
1
2
3
为三维五向M40JC
f
/Al复合材料
的室温和350 ℃下轴向弯曲载荷-位移曲线图，跟
三维五向M55JC
f
/Al复合材料的弯曲载荷-位移曲
1400
1200
1000
L
o
a
d
/
N
800
600
400
200
0
00.51.01.52.02.5
Displacement/mm
3.0
(a-1)
1
2
3
0
00.51.01.5
Dispiacemment/mm
(b-2)
2.0
900
(b-1)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
00.5
1
2
3
L
o
a
d
/
N
600
500
400
300
200
100
1
2
3
L
o
a
d
/
N
1.01.5
Displacement/mm
2.0
0
00.20.40.60.81.01.21.41.6
Dispiacemment/mm
[18]
图 14 两种三维五向复合材料的轴向弯曲载荷-位移曲线 （a） M55JC
f
/Al； （b） M40JC
f
/Al ；（1）室温；（2）350 ℃
Fig. 14 Axial bending load-displacement curves of two kinds of three-dimensional five-directional composites （a） M55JC
f
/Al；
[18]
（b） M40JC
f
/Al ；（1）room temperature；（2）350 ℃
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114
航 空 材 料 学 报
第 43 卷
强度高，所能承受的最大载荷大于试样1、3。三维
五向M55JC
f
/Al复合材料能承受的最大弯曲载荷
约为1175 N，而M40JC
f
/Al复合材料能承受的最大
弯曲载荷仅650 N。曲线都达到最大载荷后开始下
降，出现轻微的卸载后又上升（图14(a-1)和 (b-
1)），最后卸载至失效。而350 ℃下，三维五向M55JC
f
/
Al复合材料和M40JC
f
/Al复合材料所能承受的最
大弯曲载荷下降，分别约为750 N和425 N。曲线
都达到最大载荷后直接卸载至失效。进一步证明
了三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲性能优于三
维五向M40JC
f
/Al复合材料。
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M55JC
f
/Al复合材料浸渗良好，致密度为97.95%，
无明显微观缺陷，周向纤维微观组织的缺陷比轴向
多；浸渗后的纤维表面粗糙并有黏附物，界面生成
Al
4
C
3
脆性相。其微观组织跟三维五向M40JC
f
/Al
复合材料微观组织没有明显差异。
（2）国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在室温
和 350 ℃下的弯曲强度分别为505 MPa和335 MPa，
弯曲模量分别为158 GPa和138 GPa。其弯曲性能
优于三维五向M40JC
f
/Al复合材料。
（3）国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在弯曲
过程中内侧受压面出现基体“鼓包”（团簇）现象，
外侧受拉面基体开裂，材料失效时均未出现断裂，
基体与纤维结合处出现裂缝。弯曲过程中的表现
要比三维五向M40JC
f
/Al复合材料优异。
（4）国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在弯曲
初始阶段表现出线弹性特征且室温较高温明显，达
到弯曲极限后呈现出缓慢卸载现象，存在二次承载
面。室温与高温下，三维五向M55JC
f
/Al复合材料
弯曲载荷-位移曲线变化趋势跟M40JC
f
/Al复合材
料相同，但其所能承受的最大弯曲载荷比M40JC
f
/Al
复合材料高。
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收稿日期：2022-06-21；修订日期：2022-08-22
基金项目：国家自然科学基金（52165018）；江西省自然科学
基金（20202ACBL204010）；航空科学基金（2019ZF056013）
通讯作者：余欢（1960—），男，博士，教授，主要从事轻合金
加工科学与技术研究，联系地址：江西省南昌市丰和南大道
696号（330063），E-mail：**************
（责任编辑：徐永祥）
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2024年6月2日发(作者：刀枫)
2023 年
第 3 期
第 43 卷
第 105 – 115 页
航 空 材 料 学 报
JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS
2023，Vol. 43
No.3 pp.105 – 115
国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的
显微组织和弯曲性能
金 乐, 蔡长春, 余 欢, 徐志锋, 王振军, 李 阳
（南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室, 南昌330063）
摘要：研究国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和致密度以及在室温和350 ℃下的弯曲性能。结果表
明：国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的致密度为98%，显微组织无明显缺陷，仅存在少量的纤维团聚现象和浸渗
微孔缺陷；在室温和350 ℃的弯曲强度分别为505 MPa和335 MPa，弯曲模量分别为158 GPa和138 GPa，表现出
优良的室温、高温弯曲性能。
关键词：国产M55J碳纤维；三维五向；C
f
/Al复合材料；弯曲性能
doi：10.11868/.1005-5053.2022.000100
中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2023)03-0105-11
*
Microstructure and bending properties of domestic three-dimensional
five-directional M55J C
f
/Al composites
JIN Le, CAI Changchun, YU Huan, XU Zhifeng, WANG Zhenjun, LI Yang
（Nation Defense Key Discipline Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology, Nanchang HangKong University,
Nanchang 330063, China）
Abstract: The microstructure, densification and bending properties of domestic three-dimensional five-directional M55JC
f
/Al
composites at room temperature and 350 ℃ were studied. The results show that the density of domestic three-dimensional five-
directional M55JC
f
/Al composites is 98%, and there are no obvious defects in the microstructure, only a small amount of fiber
agglomeration and infiltration micropore defects is existed. The bending strength at room temperature and 350 ℃ is 505 MPa and
335MPa respectively, and the bending modulus is 158 GPa and 138 GPa respectively, showing excellent bending properties at room
temperature and high temperature. The research results have a certain role in the development of fiber-reinforced aluminum matrix
composites.
Key words: domestic M55J carbon fiber；three-dimensional five-directional；C
f
/Al composites；bending properties
*
随着航空航天技术的发展，对材料性能的要求
也越来越高。相对于传统金属材料，碳纤维金属基
复合材料具有密度低、抗拉强度高、弹性模量好等
优点备受关注，在某些性能上超过陶瓷基复合材
料和树脂基复合材料，展现了广阔的应用情景。然
而半个世纪以来，高性能碳纤维等一系列技术一直
被外国封锁，导致我国航空航天领域所应用的大部
分碳纤维还主要来依赖进口。高性能碳纤维关系
到国家战略安全，因此，研制高性能碳纤维和实现
[1]
碳纤维国产化迫在眉睫
[2-4]
。
[5-7]
近十几年来，我国在碳纤维产业关键性技术和
产业化生产以及应用方面取得了突破性进展
潘月秀等
[8]
。
对国产T800碳纤维环氧树脂基复合材
料的压缩性能进行了研究，结果发现随着碳纤维直
径的增加，压缩性能提升，但失效方式改变；张海燕
等
[9]
研究了两种T700级Ⅰ、Ⅱ型国产纤维显微组
织和相应的树脂基复合材料的基本力学性能，并且
与日本东丽公司生产的T700碳纤维进行了比较，
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106
航 空 材 料 学 报
第 43 卷
发现国产Ⅰ型碳纤维相较于国产Ⅱ型的力学性能
更稳定，其弯曲和拉伸性能可以达到日本东丽
T700碳纤维的水平；李国丽等
[10]
Al复合材料，研究其微观组织、室温和350 ℃下的
轴向弯曲性能，对不同温度下的弯曲失效行为进行
分析，并和相同条件下用日本东丽M40J纤维制备
的三维五向C
f
/Al复合材料的微观组织和轴向弯曲
性能
[18]
发现室温下国产
T700级碳纤维增强双马树脂基复合材料比东丽
T700S增强双马树脂基复合材料的界面黏结性能
好、韧性更加优异，冲击后的压缩强度可以跟外国
先进复合材料IM7/5250-4相媲美；张芳等
[11]
进行对比。
对国
产CCF700-12K碳纤维及复合材料的性能展开了
研究，结果表明，该国产碳纤维及其复合材料有着
良好的力学性能和热性能，符合复合材料结构工程
的应用标准；曹莉娟等
[12]
1 实验材料和方法
1.1 实验材料
选用中科院宁波研究所研制的M55J-3K碳纤
研究了由低温碳化技术
维为增强体材料，利用三维五向编织技术编织成体
积分数约为50%三维五向结构的预制体，三维五
向结构如图1，织物结构是由一束母向不动纱和四
束编织纱线所构成，每束编织纱与母向不动纱编织
时都形成一定的角度。M55J碳纤维性能参数见
表1，基体选用ZL301合金，其中Mg元素的存在
可以明显改善铝液与纤维之间的浸润性能，还可抑
制有害界面产物Al
4
C
3
相的生成。在相同条件下，
基体选用ZL301合金制备出的C
f
/Al复合材料相
对于ZL102合金、ZL114A合金和ZL205合金制备
出C
f
/Al复合材料的拉伸强度分别提升86.47%、
79.83%和49.74%
1.2 实验方法
将三维五向编织预制体放入设计好的石墨模
具，盖上上板并夹紧，然后用不锈钢板将模具焊接
封装，并在封装好的模具下端中央焊接一根不锈钢
管作为导液管。封装示意图如图2所示。
[19]
制备得到的低导热聚丙烯晴（PAN）基碳纤维及其
复合材料的性能，发现其复合材料的隔热性能比常
规的MT300隔热碳纤维复合材料的性能要优越；
李健芳等
[13]
研究了国产MT300-30K、JH300-3K和
东丽T300-3K碳纤维及其环氧树脂复合材料的界
面性能，发现三者微观形貌几乎一致，而两种国产
碳纤维的宏观弯曲性能及剪切性能都与东丽T300-
3K性能接近。乔伟静等
[14]
研究了电化学氧化对
国产聚丙烯晴（PAN）基M55J碳纤维表面结构和
化学结构的影响，结果发现电化学氧化可以提升碳
纤维的拉伸强度。顾姝等
[15]
研究了国产纤维M55JC
f
/
Al复合材料的不同温度拉伸性能，发现国产
M55JC
f
/Al复合材料拉伸性能优异。但国产碳纤维
的研究大部分都是对碳纤维树脂基复合材料性能
的研究，而对国产碳纤维金属基复合材料的性能少
有研究。
复合材料的弯曲性能是表征复合材料的力学
性能及其重要的技术指标之一。兰泽宇等
[16]
。ZL301合金主要元素成分如
表2，三维五向编织结构工艺预制体参数见表3。
对叠
层缝合结构M40JC
f
/Al复合材料高温下弯曲性能
进行了研究，发现温度上升，弯曲强度跟弯曲模量
并未大幅度下降，其高温稳定性好；冯景鹏等
[17]
研
究了三维正交M40JC
f
/Al复合材料的弯曲性能，发
现温度对三维正交M40JC
f
/Al复合材料的弯曲性
能影响较大。国产三维编织结构C
f
/Al弯曲性能研
究鲜见报道。国外较常用的东丽M40J纤维对应国
内的是国产M55J纤维，这两种纤维相关应用文献
报道也较少见，本工作以国产碳纤维M55J所编织
成的三维五向预制体为增强体材料，ZL301铝合金
为基体，通过真空压力浸渗法制备三维五向M55JC
f
/
图 1 三维五向结构示意图
Fig. 1 Three-dimensional five-directional structure diagram
表 1 M55J碳纤维性能的主要参数
Table 1 Main performance parameters of M55J carbon fiber
Diameter/μm
4.5
Tensile modulus /GPa
540
Tensile strength /MPa
4300
Elongation /%
0.8
Density /(g
•
cm)
1.91
−3
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第 3 期
国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和弯曲性能
107
表 2 ZL301合金化学成分 （质量分数/%）
Table 2 Composition of ZL301 alloy（mass fraction/%）
Mg
9.5-11.0
Si
0.3
Zn
0.15
Ti
0.15
Mn
0.15
Cu
0.1
Al
Bal
采用真空压力浸渗法制备三维五向结构
M55JC
f
/Al复合材料。将切割好的ZL301基体合
金放入坩埚，等电阻炉升温到690 ℃左右，将坩埚
放入电阻炉中熔炼，在熔炼一段时间后，坩埚中加
去精炼剂，除去杂质，然后将精炼铝液和封装好的
模具分别放入真空压力浸渗炉上下室中，关闭炉
盖，抽真空后充入氩气，然后按照设定的温度对炉
内加热，待炉内温度达到设定温度后，保温一段时
间，泄压再抽真空，随后升起坩埚，使导液管下端浸
没在熔融铝液中，再往炉内输送氮气致使炉内气压
达到8 MPa，在压强的作用下，铝液冲到模具内，铝
液与预制体相互结合，保压20 min，确保充型完成，
然后泄压，冷却至室温，取出封装件进行脱模，取出
浸渗完成的三维五向结构复合材料试样。真空压
力浸渗炉结构示意图如图3所示。
表 3 三维五向编织结构预制体参数
Table 3 Preform parameters of three-dimensional five-directional structure
Size of
fabric/mm
170×40×5
Yarn
specification
Movable yarn：3K×3yarns
Immovable：3K×2yarns
Female knot
−1
（mm•10 knot）
53
Circumferential
−1
knot（mm•10 knot
）
11
Fiber volume
fraction/%
50
1.3 性能测试与表征
参照国标GB/T1449—2005《纤维增强塑料弯
在弯曲负荷作用下断裂所承受的最大应力，N；h为
试样厚度，mm；
ω
为试样宽度，mm。
弯曲应变可根据式(2)计算得出：
ε
f
=
6∆δh
L
2
(2)
曲性能试验方法》进行，按试样标准利用线切割将
试样件加工成如图4所示的标准弯曲试样，在弯曲
测试之前，将试样表面打磨并清洗油污，防止对测
试结果造成影响。在Inspekt100三点弯曲试验机
上进行三点弯曲实验，计算得到复合材料的弯曲强
度和弯曲模量，横梁加载速率为1.5 mm/min。
弯曲强度是试样在弯曲负荷作用下断裂时所
能承受的最大应力，可根据式(1)计算得到：
3PL
σ
f
=
2ωh
2
式中ε
f
为弯曲应变，mm/mm；
∆δ
为跨距中央挠度，
mm。h、L跟式（1）相同。
弯曲模量是弯曲应力与弯曲形变之比，可以根
据式(3)计算得出：
Lifting mechanism
(1)
Package
Crucible
Vacuum roots pump
Graphite mould
Cooling water
Insulation layer
Heating coil
Digital control
device
Gas conveying device
式中：
σ
f
为弯曲强度，MPa；L为跨距，mm；P为试样
Stainless
steel mould
Power supply
Fluid tube
Crucible lifting device
图 3 真空压力浸渗炉结构示意图
图 2 石墨封装实物图
Fig. 2 Physical drawing of graphite package
1
0
Fig. 3 Structure diagram of vacuum pressure infiltration
equipment
150
图 4 三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲试样尺寸
Fig. 4 Size of the bending specimen of three-dimensional five-directional M55J C
f
/Al composites
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108
E
fc
=
∆σ
L
3
∆P
=
∆ε
4∆δh
3
ω
航 空 材 料 学 报
(3)
第 43 卷
表 4 国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的致密度
Table 4 Densification of domestic three-dimensional five-dir-
ectional M55J C
f
/Al Composites
Specimen
1
2
3
#
#
#
式中：
E
fc
为弯曲模量；
∆σ
为弯曲应力增量；
∆ε
为弯
曲应变增量。
在制备的国产M55JC
f
/Al复合材料试样件上
取3个尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的试样，根据
阿基米德排水法计算出致密度；采用Quanta2000
扫描电子镜(SEM)、D8ADANCE型X射线衍射分
析仪以及INCA6650能谱分析仪观察复合材料的
微观形貌和物相。用光学显微镜(OM) 观察弯曲失
效处形貌。
Density/%
97.86
98.04
97.95
97.95Average
维分布均匀，预制体结构保存完整，但从图6(a-1)
中可以观察到纤维偏聚现象，这是因为三维五向结
构的预制体在编织中每束编织纱和母向不动纱都
形成一定的角度，沿轴向方向浸渗充型过程中，铝
液在高压强的作用下沿轴向流动，并对与周向不动
纱形成角度的编织纱冲击，使部分纱线堆积在一
起，形成纤维偏聚现象；图6(a-2)可以在纤维偏聚
处发现一些细小的微孔缺陷，缺陷所占比例为
3%。原因是偏聚处的编织纱都相互堆积在一起，
使其间的缝隙变小，铝液在浸渗偏聚处的纤维丝时
需要克服更大的阻力，并且熔融铝液与碳纤维的湿
润性相对较差，从而易造成微孔缺陷。从图6(b-1)
和(b-2)可以看出轴向显微组织缺陷相对较少，但
存在个别“豌豆”状纤维丝。因为铝液是沿轴向
浸渗，浸渗时轴向纤维并不会受到很大影响，因此
轴向纤维组织缺陷相对少。对于个别的“豌豆”
状纤维丝，可能是由于基体合金与纤维的热膨胀系
数不一样，在冷却过程中，基体冷却收缩受拉，纤维
侧受压，产生较大残余拉应力，易使复合材料中的
纤维丝形状变形，由原先的圆形状变成“豌豆”状。
图7为相同条件下制备的三维五向M40JC
f
/
Al复合材料的周向和轴向显微组织，也存在偏聚现
2 实验结果与分析
2.1 致密度与微观组织
对于采用真空压力浸渗法浸渗成型的C
f
/Al复
合材料，致密度是影响C
f
/Al复合材料的力学性能
重要因素之一，它能衡量复合材料试样浸渗成型的
好坏。而影响C
f
/Al复合材料致密度的因素主要有
两种：一是铝液浸渗方向，二是纤维在排布过程中
的交织点数量。三维五向C
f
/Al复合材料预制体需
要编织成一个整体，纤维束在5个方向相互交织缠
绕形成很多个交织点，并且减少了纤维之间的缝
隙，使铝液与纤维相互结合变得困难，从而影响材
料的致密度。用阿基米德排水法测得的致密度如
表4示，平均值是97.95%，其数值较高，说明浸渗
效果良好。
图5为三维五向M55JC
f
/Al和三维五向M40JCf/
Al复合材料试样实物图，图6为三维五向M55JC
f
/Al
复合材料的显微组织。从图6(a-1)和(a-2)可以看
出浸渗完整，纤维与纤维之间完全被铝液填充，纤
(a)
Longitudinal
(b)
5 mm
Transversal
5 mm
Longitudinal
5 mm
Transversal
5 mm
图 5 两种三维五向复合材料试样实物图 （a）M55JC
f
/Al；（b）M40JC
f
/Al
Fig. 5 Physical drawings of two kinds of three-dimensional five-directional composite samples （a）M55J C
f
/Al ；（b）M40JC
f
/Al
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第 3 期
国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和弯曲性能
(a-1)(a-2)
109
Fiber segregation
Infiltration
microporous
200 μm
(b-1)(b-2)
Pea-shaped
fibers
20 μm
Fiber segregation
200 μm
20 μm
图 6 三维五向M55JC
f
/Al复合材料显微组织 （a） 周向； （b）轴向； （1）低倍； （2）高倍
Fig. 6 Microstructures of three-dimensional five-directional M55J C
f
/Al composites （a） transversal; （b） longitudinal;
（1） low magnification; （2） high magnification
象和浸渗微孔缺陷。对比之下，国产三维五向
M55JC
f
/Al复合材料跟M40JC
f
/Al复合材料的显微
组织无显著差异。
后的微观形貌。从图8(a)可以看出国产M55J碳
纤维原丝为棒状型，表面光滑但有很多深浅不一的
沟痕，这种深浅不一的沟痕有助于铝液和纤维更加
紧密的结合，使浸渗效果更佳，但这些沟痕在承受
载荷时，容易成为应力集中点，当应力慢慢增大时，
(a-2)
2.2 碳纤维浸渗前后的表面形貌及黏附物EDS分析
图8(a)和(b)分别为国产M55J碳纤维浸渗前
(a-1)
Fiber segregation
Infiltration
microporous
100 μm
(b-1)(b-2)
20 μm
Infiltration
microporous
Infiltration
microporous
Pea-shaped
fibers
100 μm
20 μm
图 7 三维五向M40JC
f
/Al复合材料显微组织 （a） 周向； （b）轴向； （1）低倍； （2）高倍
Fig. 7 Microstructures of three-dimensional five-directional M40JC
f
/Al composites （a） transversal; （b） longitudinal;
（1） low magnification; （2） high magnification
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航 空 材 料 学 报
第 43 卷
纤维首先在应力集中点遭到破坏从而达不到理想
效果。用浓度为10%NaOH溶液对国产M55JC
f
/
Al复合材料试样腐蚀，再提取纤维丝，用丙酮清洗
干净并晾干，再用扫描电子显微镜观察浸渗后的纤
维丝原貌。图8(b)是浸渗后国产M55JC
f
/Al复合
材料的纤维丝形貌，对比未浸渗的纤维丝原貌，浸
渗后的纤维丝表面变得粗糙且表面有黏附物，黏附
物大部分都处于沟痕处，侧面证明了沟痕使铝液与
纤维结合更加紧密。基体与碳纤维之间的界面结
合强度为5～10 MPa。
(b)
(a)
2 μm2 μm
图 8 国产M55J碳纤维浸渗前后表面形貌 （a） 浸渗前； （b）浸渗后
Fig. 8 Surface morphologies of domestic M55J carbon fiber before and after impregnation （a） before impregnation;
（b）after impregnation
为了探究浸渗后国产三维五向M55J纤维上的
黏附物元素组成，对黏附物进行EDS能谱分析。
图9为浸渗后M55J纤维表面的黏附物和EDS
能谱图。从EDS能谱图中可以看出黏附物的元素
(a)
组成成分主要是C元素，但存在一定量的Mg、Al、
Si元素。说明在铝液与纤维接触时发生了反应，生
成相对应的产物。
C
(b)
+
Sepectrum 1
MgSi
Al
5 μm
012
E/keV
34
图 9 浸渗后M55J纤维分析 （a）测试点； （b） EDS分析
Fig. 9 Analysis of M55J fiber after infiltration （a） test point; （b） EDS analysis
进一步探究基体合金与纤维反应生成物，对制
备的国产M55JC
f
/Al复合材料进行X射线衍射
（XRD），分析其衍射图谱。图10为M55JC
f
/Al复
合材料XRD图谱和成分比例饼状图。从图10可
以看出，Al、C相衍射峰较高，分别占58.7%和
34.5%，而新生成的Al
4
C
3
、Al
3
Mg
2
相的衍射峰较
低，含量较少，分别占4.5%、2.3%。Al
4
C
3
相的生成
进一步证实了铝液与纤维在结合时发生了界面反
应。Al
4
C
3
相是一种脆性相，非常容易发生水解，发
生如下反应（式（4）、（5）），影响复合材料的界面性
能，从而影响复合材料的力学性能和物理性能。因
此要得到高性能的国产三维五向M55JC
f
/Al复合
材料，需要在增加湿润性时，同时抑制界面上
Al
4
C
3
相的形成。Mg元素在改善铝液与纤维之间
湿润性的同时，也可以抑制Al
4
C
3
的生成。本实验
选用的基体合金是Al-Mg系铸造合金，可以提高
C
f
/Al复合材料的力学性能。
Al
4
C
3
(s)+15H
2
O(g)→3CH
4
(g)+4Al(OH)
3
(s)(4)
Al
4
C
3
(s)+18H
2
O(l)→3CO
2
(g)+4Al(OH)
3
(s)+12H
2
(g)
(5)
2.3 复合材料不同温度下弯曲性能
图11为两种复合材料室温下和350 ℃下的轴
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国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和弯曲性能
(a)
•
•
♦−C
•−Al
♣-Al
4
C
3
♥−Al
3
Mg
2
(b)
Al
58.7%
111
♦
♦
♣
1020304050
2θ/(°)
60
•
♦
7080
Al
4
C
3
4.5%
C
34.5%
Al
3
Mg
2
2.3%
图 10 三维五向M55JC
f
/Al复合材料组织分析 （a） XRD图谱； （b）成分比例饼状图
Fig. 10 Microstructure analysis of three-dimensional five directional M55JC
f
/Al composites （a） XRD pattern; （b） composition
scale pie chart
向弯曲强度和弯曲模量。从图11（a）可以看出，国
产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在室温下和350 ℃
下的弯曲强度分别是505 MPa、335 MPa，弯曲模
量分别是158 GPa、138 GPa。350 ℃下的弯曲强度
相对于室温下降了33.7%，弯曲模量下降了12.7%。
随着温度的升高，国产三维五向M55JC
f
/Al复合材
料的弯曲强度和弯曲模量均下降，但弯曲强度下降
幅度较大。由图11（b）看出
[18]
，三维五向M40JC
f
/Al
复合材料在室温和350 ℃下的弯曲强度以及弯曲
模量，分别为401 MPa、266 MPa和137 GPa、117
GPa。对比两种复合材料弯曲性能数据，国产三维
五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲性能更优异。说明
国产M55J碳纤维编织得到预制体的增强效果在弯
曲性能方面优于日本东丽公司M40J纤维。
500
(b)
137
Bending strength
Bending modulus
117
266
160
B
e
n
d
i
n
g
m
o
d
u
l
u
s
/
G
P
a
[18]
600
B
e
n
d
i
n
g
s
t
r
e
n
g
t
h
/
M
P
a
500
400
300
200
100
0
(a)
505158
B
e
n
d
i
n
g
m
o
d
u
l
u
s
/
G
P
a
B
e
n
d
i
n
g
s
t
r
e
n
g
t
h
/
M
P
a
Bending strength
Bending modulus
138
335
Room temperature350 °C
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
401
140
120
100
80
400
300
200
100
0
60
40
20
Room temperature350 °C
[18]
0
图 11 两种三维五向复合材料的轴向弯曲性能 （a）M55JC
f
/Al；（b）M40JC
f
/Al
Fig. 11 Axial bending properties of two kinds of three-dimensional five-directional composites （a）M55JC
f
/Al；（b）M40JC
f
/Al
三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲过程中，中
间层外侧受到拉伸载荷作用，而中间内侧则受到压
缩载荷作用，因此弯曲测试一定程度上也能看出
M55JC
f
/Al复合材料受到压缩载荷时的表现。由于
制备出的三维五向M55JC
f
/Al复合材料试样存在
界面反应和微孔缺陷，在350 ℃下，ZL301基体合
金的软化导致界面结合变弱且微观缺陷对复合材
料的影响被放大，并且复合材料的内侧面受到压缩
载荷，使碳纤维与基体的界面容易产生弯曲变形，
导致界面处出现裂纹，裂纹迅速扩散导致复合材料
更早失效，因此弯曲性能下降。此外由于三维五向
编织结构母向不动纱周围存在四个方向的周向编
织纱，这就导致在弯曲过程中内侧面弯曲处的编织
纱线会相互挤压。随着温度升高到350 ℃，ZL301
基体合金开始逐渐软化，基体对纤维的束缚减小，
基体与纤维在界面处的结合力下降，使编织纱受到
的挤压作用增大，而且高温下基体侧残余应力的减
小对受压面基体承载不利，进一步导致弯曲性能下降。
2.4 复合材料弯曲失效行为
图12是国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在
室温下和350 ℃下弯曲失效处的形貌。可以从
图12(a-1)～(a-3)中可以看出，基体与纤维结合处
破坏，并且试样外侧面出现小裂缝。图12(b-1)～(b-3)
可以观察到试样内侧面出现“鼓包”并且开裂，纤
维裸露，试样外侧面出现一道横穿试样的裂缝，基
体与纤维结合处破坏更加明显。由此可见三维五
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第 43 卷
向M55JC
f
/Al复合材料室温的弯曲性能优于高
温。在三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲过程中，
试样内侧面受压应力，外侧面受拉应力，由于在浸
渗充型过程中三维五向M55JC
f
/Al复合材料内部
存在浸渗微孔缺陷和纤维偏聚现象，试样外侧面受
拉过程中，内部微孔在拉应力的作用下逐渐扩展延
伸变成裂缝。弯曲过程中轴向纱相当于受到垂直
载荷的作用，轴向纱出现弯曲，随着载荷的持续增
大，弯曲程度也加剧，由于碳纤维耐拉不耐压的特
点也易使表面产生裂缝。试样内侧面由于受到压
应力的作用，受压处的基体合金会产生应力集中，
导致受压处的基体合金受到挤压，并且内部纤维也
会相互挤压，随着载荷的持续增大，受压处的基体
合金和纤维挤压程度越来越大，最终导致受压处复
合材料出现“鼓包”（团簇）现象。在350 ℃下，
ZL301合金基体软化，基体对纤维的束缚减小，基
体合金不能有效地将弯曲载荷传递给纤维，使基体
承受较大的弯曲载荷，容易造成基体开裂。并且纤
维束之间的挤压作用增大，试样内侧受压面也出现
裂缝。在弯曲过程中，基体与编织纱的结合处易出
现明显裂纹。基体与纤维之间的界面结合强度对
复合材料弯曲变形的影响较大。
(a-3)
(a-1)
Fiber-matrix
bond failure
(a-2)
Bulging and cracking of the
specimen
Cracking of the specimen
3 mm
(b-1)(b-2)
3 mm
(b-3)
3 mm
Fiber-matrix
bond failure
Bulging and cracking
of the specimen
Cracking of the specimen
3 mm
3 mm
3 mm
图 12 国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲失效处的形貌 （a） 室温； （b）350 ℃；（1）基体与纤维脱粘；（2）鼓泡；（3）开裂
Fig. 12 Morphologies of bending failure of three-dimensional five-directional M55JC
f
/Al composites （a） room temperature;
（b） 350 ℃；（1）fiber-matrix bond failure；（2）bulging；（3）cracking
图13是三维五向M40JC
f
/Al复合材料在室
温和350 ℃下弯曲失效处的形貌，从图13(a-1)～
(a-3)中可以看出室温下的M40JC
f
/Al复合材料发
生了试样内侧面“鼓包”开裂与外侧面开裂。由
图13(b-1)～(b-3)看出，350 ℃下的M40JC
f
/Al
复合材料中央处出现也出现“鼓包”（团簇）现象、
基体与纤维结合处破坏，基体表面开裂，还有一道
贯穿试样的明显大裂缝。室温与350 ℃下的三维
五向M40JC
f
/Al复合材料试样破坏机理与三维五
向M55JC
f
/Al复合材料相同。两种复合材料在室
温下和350℃下弯曲表现对比，明显看出国产三维
五向M55JC
f
/Al复合材料的弯曲性能比东丽三维
五向M40JC
f
/Al复合材料弯曲性能优异。
图14为两种三维五向复合材料室温和350 的
弯曲载荷-位移曲线图。从图14（a）可以看出，三维
五向M55JC
f
/Al复合材料初始阶段曲线呈现出线
性特征，复合材料处于弹性变形阶段，挠度-载荷曲
线呈直线上升趋势，且室温较高温更加明显，其载
荷增量大而位移增量少，复合材料均在较小的位移
量时即发生失效。在室温下，曲线达到最大载荷后
开始下降，轻微卸载后，发生了线弹性变化，曲线又
出现小段上升过程（图14(a-1)）。发生轻微卸载的
原因是微孔缺陷对界面载荷传递造成影响。曲线
呈非线性特征，此时复合材料处于弹性变形和塑性
变形并存阶段。最后再缓慢卸载直至失效。其弯
曲破坏行为与塑性材料相似即“假塑性效应”特
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第 3 期
(a-1)
Fiber exposure
国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料的显微组织和弯曲性能
(a-2)(a-3)
113
Cracking of the specimen
1 mm
(b-1)
Fiber-matrix bond failure
(b-2)
Bulging and cracking
of the specimen
1 mm
(b-3)
Cracking of the substrate
surface
1 mm
Bulging and cracking
of the specimen
1 mm1 mm1 mm
图 13 三维五向M40JC
f
/Al复合材料弯曲失效处的形貌 （a） 室温； （b）350 ℃；（1）基体与纤维脱粘；（2）鼓泡；（3）开裂
Fig. 13 Morphologies of bending failure of three-dimensional five-directional M40JC
f
/Al composites （a） room temperature;
（b） 350 ℃；（1）fiber-matrix bond failure；（2）bulging；（3）cracking
征，存在二次承载面，但350 ℃下没有发生此现
象，复合材料在达到极限载荷后即开始缓慢卸载，
这与高温下复合材料内部损伤积累较快有关，复合
材料较早发生严重损伤。
图14（b）
[18]
线图对比，两者室温和350 ℃下的轴向弯曲载荷-
位移曲线变化趋势相同，但350 ℃下两者的载荷-
位移图有一定区别，三维五向M55JC
f
/Al复合材料
试样数据曲线密集，而三维五向M40JC
f
/Al复合材
料试样曲线较分散，其中试样2数据曲线远离试样
1、3曲线，原因可能是三维五向M40JC
f
/Al复合材
料试样2内部组织缺陷较少，弯曲性能较好，弯曲
1000
800
L
o
a
d
/
N
600
400
200
(a-2)
1
2
3
为三维五向M40JC
f
/Al复合材料
的室温和350 ℃下轴向弯曲载荷-位移曲线图，跟
三维五向M55JC
f
/Al复合材料的弯曲载荷-位移曲
1400
1200
1000
L
o
a
d
/
N
800
600
400
200
0
00.51.01.52.02.5
Displacement/mm
3.0
(a-1)
1
2
3
0
00.51.01.5
Dispiacemment/mm
(b-2)
2.0
900
(b-1)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
00.5
1
2
3
L
o
a
d
/
N
600
500
400
300
200
100
1
2
3
L
o
a
d
/
N
1.01.5
Displacement/mm
2.0
0
00.20.40.60.81.01.21.41.6
Dispiacemment/mm
[18]
图 14 两种三维五向复合材料的轴向弯曲载荷-位移曲线 （a） M55JC
f
/Al； （b） M40JC
f
/Al ；（1）室温；（2）350 ℃
Fig. 14 Axial bending load-displacement curves of two kinds of three-dimensional five-directional composites （a） M55JC
f
/Al；
[18]
（b） M40JC
f
/Al ；（1）room temperature；（2）350 ℃
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114
航 空 材 料 学 报
第 43 卷
强度高，所能承受的最大载荷大于试样1、3。三维
五向M55JC
f
/Al复合材料能承受的最大弯曲载荷
约为1175 N，而M40JC
f
/Al复合材料能承受的最大
弯曲载荷仅650 N。曲线都达到最大载荷后开始下
降，出现轻微的卸载后又上升（图14(a-1)和 (b-
1)），最后卸载至失效。而350 ℃下，三维五向M55JC
f
/
Al复合材料和M40JC
f
/Al复合材料所能承受的最
大弯曲载荷下降，分别约为750 N和425 N。曲线
都达到最大载荷后直接卸载至失效。进一步证明
了三维五向M55JC
f
/Al复合材料弯曲性能优于三
维五向M40JC
f
/Al复合材料。
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f
/Al复合材料浸渗良好，致密度为97.95%，
无明显微观缺陷，周向纤维微观组织的缺陷比轴向
多；浸渗后的纤维表面粗糙并有黏附物，界面生成
Al
4
C
3
脆性相。其微观组织跟三维五向M40JC
f
/Al
复合材料微观组织没有明显差异。
（2）国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在室温
和 350 ℃下的弯曲强度分别为505 MPa和335 MPa，
弯曲模量分别为158 GPa和138 GPa。其弯曲性能
优于三维五向M40JC
f
/Al复合材料。
（3）国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在弯曲
过程中内侧受压面出现基体“鼓包”（团簇）现象，
外侧受拉面基体开裂，材料失效时均未出现断裂，
基体与纤维结合处出现裂缝。弯曲过程中的表现
要比三维五向M40JC
f
/Al复合材料优异。
（4）国产三维五向M55JC
f
/Al复合材料在弯曲
初始阶段表现出线弹性特征且室温较高温明显，达
到弯曲极限后呈现出缓慢卸载现象，存在二次承载
面。室温与高温下，三维五向M55JC
f
/Al复合材料
弯曲载荷-位移曲线变化趋势跟M40JC
f
/Al复合材
料相同，但其所能承受的最大弯曲载荷比M40JC
f
/Al
复合材料高。
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收稿日期：2022-06-21；修订日期：2022-08-22
基金项目：国家自然科学基金（52165018）；江西省自然科学
基金（20202ACBL204010）；航空科学基金（2019ZF056013）
通讯作者：余欢（1960—），男，博士，教授，主要从事轻合金
加工科学与技术研究，联系地址：江西省南昌市丰和南大道
696号（330063），E-mail：**************
（责任编辑：徐永祥）
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