CN102021503A

CN102021503A - 一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN102021503A
Application number: CN 201010588882
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 赵玉涛; 邵阳
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102021503B

Abstract

本发明涉及金属基复合材料的制备方法，具体而言为涉及一种采用层叠技术制备连续纤维增强金属基复合材料的方法。在惰性气体保护下将熔融状态的金属喷吹到连续纤维表面，并通过碾压使连续纤维与基体之间牢固结合，后喷吹的熔融金属将与先喷吹的金属层复合，并在受碾压时使纤维-基体之间的结合得到进一步改善，如此反复进行，直到得到指定厚度的连续纤维增强金属基复合材料。本发明操作简便，易于实现工业规模生产；由于冷却速率高，使基体金属获得了比较优异的性能，同时减轻了纤维与金属基体之间的界面反应，复合材料的基体可以为晶态金属或合金，在合适的条件下基体也可以是块体非晶合金。

Description

一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备方法，具体而言为涉及一种采用层叠技术制备连续纤维增强金属基复合材料的方法。

背景技术

金属基复合材料自问世以来就以其优异的性能受到广泛的关注，其中又以纤维增强金属基复合材料的研究开发与应用最早、力学性能最好，如纤维增强铝基复合材料具有比强度、比刚度、轴向拉伸强度和耐磨性高，耐高温性能优异，热膨胀系数低，导电性、导热性、抗疲劳性良好，以及在潮湿或辐射环境下尺寸稳定性高等优点，已在航天航空、汽车、机械电子等领域作为高强度耐高温材料，显示出巨大的应用潜力。

在金属基复合材料的制备方法中，液态浸渗法被认为是最理想和最成功的，这种方法是在液态合金上施加一个额外压力，使液态合金渗透到纤维预制件或纤维束中, 并促进纤维与液态合金的润湿、结合，不但可克服纤维增强体与液态合金润湿性差的不足，同时由于浸渗时间短，凝固速度快而避免有的纤维增强体(如碳纤维等)在制备复合材料的过程中与基体合金发生不良反应；为保证液态合金充分地浸渗增强体，并与之复合完好，一般认为浸渗时的压力应为50~100Mpa，浸渗压力高，可有效地克服纤维预制件、纤维束或粒子团造成的毛细现象以及浸渗时液态合金与增强体之间的摩擦力，细化基体晶粒，消除基体内部的气孔并可减少合金元素的偏析有利于提高材料的性能，但是，浸渗压力过高也可能带来一些不利影响，如纤维与基体结合过强，导致断口上纤维拔出现象下降，增加了纤维的损伤，纤维预制件在高压下变形严重，同时设备损耗也加剧。

为获得无纤维损伤、无空隙、高性能的致密复合材料, 必须考虑增强纤维与铝及铝合金间的润湿性好坏和反应性大小、增强纤维的分布状态和高温下的损伤老化程度及界面稳定性等，纤维增强铝基复合材料的制造方法主要有熔融浸润法、加压铸造法、扩散粘接法和粉末冶金法等；熔融浸润法是用液态铝及铝合金浸润纤维束，或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池，使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属而得到复合丝，再经挤压而制得复合材料，其缺点是当纤维很容易被浸润时，熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤，利用增强纤维表面涂层处理技术，可有效地改善纤维与金属间的浸润性和控制界面反应，加压铸造法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束，加压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷，铸造压力和增强纤维含量对铝基复合材料的性能有较大影响，加压铸造法成功地用于制造 SiC/Al、Al₂O₃/Al、Al₂O₃/(TiAl、Ni₃Al、Fe₃Al)等铝基复合材料，扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型以得到铝基复合材料的制造方法，此外，扩粘接法还包括常压烧结法、热压法、高温挤拉法，目前采用扩散粘接法制造的纤维增强铝基复合材料有C/Al、B/ Al、SiC/ Al等，粉末冶金法是采用等离子喷溅法在排列好的增强纤维上喷涂金属铝粉，或把金属铝粉分散在丙烯酸树脂( 或聚苯乙烯树脂)进行涂敷，制成预浸板，将其交替重叠后在真空或氩气中，在接近铝熔点温度下加压烧结以获得纤维增强铝基复合材料，SiC/Al、Al₂O₃/Al纤维增强铝基复合材料采用该方法制造，该法缺点是纤维损伤大、分布不均匀且含量不高。

经过几十年的努力和探索，纤维增强铝基复合材料在基础理论、制备工艺、性能水平等方面都有了很大的进步，并且率先在宇航、航空和兵器中得到应用，在民用工业中的应用也日渐增多，但是，由于纤维增强铝基复合材料不但增强纤维价格昂贵，而且制造工艺独特、成本高，在成型及二次压力加工方面，由于纤维增强铝基复合材料各向异性很强，因此这种复合材料多为直线或两向承载的简单构件形式，如板材、棒材、管材等，产品的大小和形状有很大的局限性，这样就极大的限制了它的推广和应用，为了进一步推广纤维增强铝基复合材料的应用，必须努力降低成本。由于工艺成本一般大大高于原材料的成本，所以亟待研究出新的低成本的制造工艺，制备与成型一体化是降低成本的一个重要途径，同时还要对纤维表面涂层技术、合金元素对于界面稳定性和结构的影响以及纤维增强体与铝及铝合金基体的界面结合强度对材料性能的影响等问题进一步展开研究。

发明内容

本发明的目的是，针对上述问题，提出一种采用层叠技术制备连续纤维增强金属基复合材料的新方法。

本发明一种连续纤维增强金属基复合材料新方法，其原理是：金属材料在快速冷却条件下容易得到细晶组织甚至获得非晶等亚稳状态，因此，将快速冷却技术与连续纤维增强结合可望获得更加优异的材料性能，在惰性气体保护下将熔融状态的金属喷吹到连续纤维表面，并通过碾压使连续纤维与基体之间牢固结合，后喷吹的熔融金属将与先喷吹的金属层复合，并在受碾压时使纤维-基体之间的结合得到进一步改善，如此反复进行，直到得到指定厚度的连续纤维增强金属基复合材料。

具体而言其特征在于：在惰性气体保护下，首先采用喷吹的方法在铜冷却基底上喷吹一层金属，然后在新喷吹的金属层上铺设一层纤维，并保持纤维有500~1000Pa的张紧力，再喷吹一层金属，随后通过挤压辊对纤维和喷吹金属层进行碾压以改善纤维-金属之间的结合，调节喷嘴与挤压辊之间的距离，使挤压时材料具有使金属材料保持良好塑性的温度，然后再铺设一层纤维，喷吹一层金属，并挤压一次，重复上述过程，直到金属基复合材料达到指定的厚度。

所述的喷吹的方法指：制备装置处于真空室中，设备抽真空至1~2×10^-3Pa，然后充入20~60kPa的氩气作为保护气氛，在坩埚中按配比要求熔化金属（合金）材料，并通过导流孔将净化后的金属（合金）熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入50~120 kPa的喷吹气压从喷嘴将金属（合金）熔体喷吹到快速移动的铜基底上，喷吹时金属熔体的温度处于其液相线温度以上30~80℃，一次喷吹结束后关闭喷吹气体并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的金属（合金）熔体，准备新的喷吹成形过程。

所述的快速移动的铜基底，是水冷的表面平整的纯铜基底，喷吹成形过程中其快速移动的水平速率为5000~20000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为0.5~2.0 mm，每次喷吹成形结束后铜基底的返回速度为15000 ~20000mm/s。

所述的铺设一层纤维，纤维的直径选择10~150μm，根据体积分数要求预先设定纤维的排列密度，根据需要不同层上的纤维可以采用不同的取向进行铺设。

所述的喷吹一层金属，是指金属材料每次喷吹成形成一层金属层，其厚度为20~200μm。

所述的挤压辊，是采用耐热钢制作的圆柱形辊体，直径为30~100mm，挤压金属材料喷吹成形层的压应力为5~20MPa，压力要适当，以防止对纤维造成破坏，挤压辊处于喷嘴的后方并与喷嘴保持20~40 mm的水平距离，以保证新喷吹的金属保持一定的温度并具有良好的塑性变形能力。

本发明具有如下优点：操作简便，易于实现工业规模生产；由于冷却速率高，使基体金属获得了比较优异的性能，同时减轻了纤维与金属基体之间的界面反应，同时，复合材料的基体可以为晶态金属或合金，在合适的条件下基体也可以是块体非晶合金，只是挤压辊挤压的压应力要适当降低，另外，本发明也可用于二维纤维织物增强的金属基复合材料的制备，其基本原理与其相似，总之，通过上述方法可以成功制备各种连续纤维增强金属基复合材料。

附图说明

图1 连续纤维增强金属基复合材料制备过程示意图；

1 铜基底 2 挤压辊 3 速度控制器 4温度控制器 5 坩埚 6 金属熔体 7导流孔 8 喷吹室 9 纤维 10 金属喷吹层 11 喷嘴

图2 碳纤维增强铝基复合材料横截面的扫描电镜照片。

具体实施方式

在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

要制备的复合材料选择直径15μm的碳纤维为增强纤维，7050铝合金为基体材料。

设备抽真空至1×10^-3Pa，真空室中充入20kPa的氩气作为保护气氛，按7050铝合金的成分配比在坩埚中熔化铝合金，净化后通过导流孔将铝合金熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入50kPa的喷吹气体从喷嘴将680℃的7050铝合金熔体喷吹到快速移动的铜基底表面（移动方向长500mm，宽200mm），铜基底的水平移动速率为20000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为0.5mm，一次喷吹的厚度为20μm，第一次喷吹后，在新喷吹的铝合金层上铺设一层纤维，并保持纤维有500Pa的张紧力，再喷吹一层铝合金，喷吹后立即用耐热钢制作的直径30mm的圆柱形挤压辊对新喷吹的铝合金进行挤压，其压应力为5MPa，挤压辊处于喷嘴后方40 mm，喷吹成形采用间歇式工作，当喷吹成形从铜基底的一端进行到另一端时一次喷吹结束，待挤压辊运动到该端面后，将铜基底的垂直位置下降一个铝合金喷吹层的厚度，然后铜基底以15000mm/s的速度返回到初始位置，铺设一层纤维，同时关闭喷吹气压并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的铝合金熔体，准备新的喷吹成形过程。重复上述喷吹成形过程，最终所成形的碳纤维增强7050基复合材料厚度为100mm，图2为所制备的碳纤维增强铝基复合材料垂直纤维长度方向截面的扫描电镜照片，可以看出碳纤维在基体上分布基本均匀、纤维与铝合金基体结合良好。

实施例2

要制备的复合材料选择直径100μm的SiC纤维为增强纤维，7055铝合金为基体材料。

设备抽真空至2×10^-3Pa，真空室中充入40kPa的氩气作为保护气氛，按7055铝合金的成分配比在坩埚中熔化铝合金，净化后通过导流孔将铝合金熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入80kPa的喷吹气体从喷嘴将690℃的7055铝合金熔体喷吹到快速移动的铜基底表面（移动方向长500mm，宽220mm），铜基底的水平移动速率为10000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为1.0mm，一次喷吹的厚度为120μm。第一次喷吹后，在新喷吹的铝合金层上铺设一层纤维，并保持纤维有500Pa的张紧力，再喷吹一层铝合金，喷吹后立即用耐热钢制作的直径60mm的圆柱形挤压辊对新喷吹的铝合金进行挤压，其压应力为20MPa，挤压辊处于喷嘴后方30 mm，喷吹成形采用间歇式工作，当喷吹成形从铜基底的一端进行到另一端时一次喷吹结束，待挤压辊运动到该端面后，将铜基底的垂直位置下降一个铝合金喷吹层的厚度，然后铜基底以18000mm/s的速度返回到初始位置，铺设一层纤维，同时关闭喷吹气压并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的铝合金熔体，准备新的喷吹成形过程。重复上述喷吹成形过程，最终所成形的SiC纤维增强7055基复合材料厚度为160mm。

实施例3

要制备的复合材料选择直径150μm的W纤维为增强纤维，Zr_41.25Ti_13.75Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5块体非晶合金为基体材料。

设备抽真空至1×10^-3Pa，真空室中充入60kPa的氩气作为保护气氛，按Zr_41.25Ti_13.75Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5块体非晶合金的成分配比在坩埚中熔化铝合金，净化后通过导流孔将铝合金熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入120kPa的喷吹气体从喷嘴将760℃的块体非晶合金熔体喷吹到快速移动的铜基底表面（移动方向长600mm，宽240mm），铜基底的水平移动速率为5000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为2.0mm，一次喷吹的厚度为200μm，第一次喷吹后，在新喷吹的块体非晶合金层上铺设一层纤维，并保持纤维有500Pa的张紧力，再喷吹一层块体非晶合金，喷吹后立即用耐热钢制作的直径100mm的圆柱形挤压辊对新喷吹的块体非晶合金进行挤压，其压应力为2000Pa，挤压辊处于喷嘴后方20 mm，喷吹成形采用间歇式工作，当喷吹成形从铜基底的一端进行到另一端时一次喷吹结束，待挤压辊运动到该端面后，将铜基底的垂直位置下降一个铝合金喷吹层的厚度，然后铜基底以20000mm/s的速度返回到初始位置，铺设一层纤维，同时关闭喷吹气压并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的块体非晶合金熔体，准备新的喷吹成形过程，重复上述喷吹成形过程，最终所成形的W纤维增强块体非晶合金复合材料厚度为200mm。

Claims

1.一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：在惰性气体保护下，首先采用喷吹的方法在铜冷却基底上喷吹一层金属，然后在新喷吹的金属层上铺设一层纤维，并保持纤维有500~1000Pa的张紧力，再喷吹一层金属，随后通过挤压辊对纤维和喷吹金属层进行碾压以改善纤维-金属之间的结合，调节喷嘴与挤压辊之间的距离，使挤压时材料具有使金属材料保持良好塑性的温度，然后再铺设一层纤维，喷吹一层金属，并挤压一次，重复上述过程，直到金属基复合材料达到指定的厚度。

2.如权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的喷吹的方法指：制备装置处于真空室中，设备抽真空至1~2×10^-3Pa，然后充入20~60kPa的氩气作为保护气氛，在坩埚中按配比要求熔化金属（合金）材料，并通过导流孔将净化后的金属（合金）熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入50~120 kPa的喷吹气压从喷嘴将金属（合金）熔体喷吹到快速移动的铜基底上，喷吹时金属熔体的温度处于其液相线温度以上30~80℃，一次喷吹结束后关闭喷吹气体并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的金属（合金）熔体，准备新的喷吹成形过程。

3.如权利要求2所述的一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的快速移动的铜基底，是水冷的表面平整的纯铜基底，喷吹成形过程中其快速移动的水平速率为5000~20000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为0.5~2.0 mm，每次喷吹成形结束后铜基底的返回速度为15000 ~20000mm/s。

4.如权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的铺设一层纤维，纤维的直径选择10~150μm，根据体积分数要求预先设定纤维的排列密度，根据需要不同层上的纤维可以采用不同的取向进行铺设。

5.如权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的喷吹一层金属，是指金属材料每次喷吹成形成一层金属层，其厚度为20~200μm。

6.如权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的挤压辊，是采用耐热钢制作的圆柱形辊体，直径为30~100mm，挤压金属材料喷吹成形层的压应力为5~20MPa，挤压辊处于喷嘴的后方并与喷嘴保持20~40 mm的水平距离，以保证新喷吹的金属保持一定的温度并具有良好的塑性变形能力。