CN102260836B - 一种连续制造碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的方法及其生产装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续制造碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的方法包括以下步骤：碳纤维或石墨纤维的预处理；碳纤维或石墨纤维与金属基体纤维混杂预成型；利用高频模具加热熔融定型、冷却；收卷切割。此方法具有流程简单，金属与纤维复合均匀的优点。同时，该方法使用的生产装置设计科学简单，操作方便可实现连续高效生产。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，尤其涉及一种连续制造碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的方法及其生产装置。
背景技术
碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料作为一种高性能先进材料，具有高比强度、高比模量、耐磨、耐热、导电、导热、不吸潮、抗辐射、低热膨胀系数，易于二次加工及焊接，可回收等优良性能，在航空航天，汽车，建筑，体育用品等领域具有广阔的应用空间。
目前纤维增强金属基复合材料的制造方法主要有固态法，液态法，及其他方法（气相沉积，原位生长，镀层法）等，分别存在着生产效率低，成本高，纤维分布性差等缺点，限制了其大规模生产及应用。
液态法是将金属基体熔融后，浸渍经表面处理的纤维，而后冷却成型（制造金属基质复合材料的方法，中国专利号申请号01812760.6，3M创新有限公司），其优点是成型工艺简单，效率高，但是存在能耗高，金属不易充分浸润纤维造成纤维分布不均匀的缺点。
镀层法是使用电镀或化学镀在纤维表面镀上一层均匀的金属基体，然后通过热压的方法使金属融化成型（碳纤维增强镍基复合材料及其制备方法，中国专利申请号200710061689.9，中北大学），优点是金属基体能够很好的与纤维复合，避免了液态法的纤维分布不均的问题，缺点是可电镀的金属基体有限，同时生产效率低，不利于大规模生产。
发明内容
本发明设计了一种连续制造碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的方法及其生产装置，其目的是提供一种设备简单，连续高效，金属与纤维复合均匀的碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的工艺方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下方案：
一种连续制造碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤一 碳纤维或石墨纤维的预处理；
步骤二 碳纤维或石墨纤维与金属基体纤维混杂预成型；
步骤三 利用高频模具加热熔融定型、冷却；
步骤四 收卷切割。
所述的步骤一中首先通过高温除胶炉除去碳纤维或石墨纤维表面的胶剂，然后在碳纤维或石墨纤维表面电镀一层金属材料A，电镀完成后通过水洗干燥装置除去水份，其中，水洗干燥装置的温度为150℃-200℃；
所述的步骤二中将水洗干燥后镀有金属材料A的碳纤维或石墨纤维与金属基体纤维材料B混杂后，一起通过预成型装置，通过预成型装置内的导丝板以及挤压作用，初步形成具有产品外形紧密排布的纤维/金属预成型束；
所述的步骤三中将上一步骤得到的纤维/金属预成型束通过高频加热模具熔融，冷却后成型即得到碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料；
所述的步骤四中在牵引机的作用下将冷却成型的碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料产物收卷切割，按照需求包装。
在步骤一所述电镀时使用脉冲电流以及超声波振动使金属材料A在碳纤维或石墨纤维表面形成均匀的镀层。
所述金属材料A镀层厚度为0.01-1μm。
所述金属材料A镀层厚度优选为0.1-0.5μm。
所述金属材料A为易于与碳纤维或石墨纤维电镀的金属或金属合金，且熔点较高，所述金属材料A为金属铜、镍、银、铜合金、镍合金、银合金。所述的铜合金为青铜，黄铜，白铜等铜合金，所述镍合金为镍铜合金等，所述的银合金为银铜合金，银镍合金等。
所述金属材料A为金属铜或镍。
所述金属基体纤维材料B为低熔点金属或金属合金，所述金属基体纤维材料B为锡、铅、镁、铝、锡合金、铅合金、镁合金、铝合金。优选为金属锡，金属铅，金属镁及镁合金AZ91D， AM60B， AM50A， AS41B，金属铝及铝合金1000系列，3000系列，4000系列，5000系列，6000系列等，更优选为金属铝及铝合金1000系列，3000系列，4000系列，5000系列，6000系列等。
所述金属基体纤维材料B为铝或铝合金。
所述金属基体纤维材料B的熔点低于所述金属材料A的熔点。
所述步骤三中，高频模具的加热温度在金属基体纤维材料B熔点与金属材料A的熔点之间，该加热温度使金属基体B发生完全熔融，同时又能保证金属材料A不变形。
所述金属基体纤维材料B在镀有金属材料A的碳纤维或石墨纤维和金属基体纤维材料B的总量中所占的体积分数为10%-80%。
所述金属基体纤维材料B在镀有金属材料A的碳纤维或石墨纤维和金属基体纤维材料B的总量中所占的体积分数为30%-70%。
一种连续制造碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的生产装置，其特征在于依次包括： 高温除胶炉、电镀池、水洗干燥装置、预成型模、高频加热模具、牵引机和收卷机，所述高温除胶炉、电镀池、水洗干燥装置、预成型模、高频加热模具和牵引机通过所述牵引机的传送装置依次连接，并将所述碳纤维或石墨纤维加工为碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料，最后所述材料通过收卷机进行收卷切割。
所述除胶炉内的温度为600℃-800℃，并在所述除胶炉内充入惰性气体保护。
所述电镀池内设有超声波震板，所述的电镀池使用的电源为脉冲电源。
所述高频加热模具为陶瓷模具，所述高频加热模具分为左端的加热熔融区，设置在中部的挤压成型区和和右端的冷却区。
所述加热熔融区从进口端到出口端内径逐渐变小，所述的挤压成型区和冷却区的内径与所述加热熔融区的出口端内径形同。
在所述高频加热模具进口端充入惰性气体保护。
该连续制造碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的方法及其生产装置具有以下有益效果：
（1）本发明的生产方法工艺简单，生产效率高。
（2）本发明的生产装置设计科学，结构简单，可实现连续高效的的生产。
（3）本发明采用了碳纤维或石墨纤维预处理以及模具熔融成型的方法，使得金属与纤维复合均匀。
（4）本发明使用的模具加热方式为高频加热，利用电磁感应在导体内部产生涡旋电流，产生大量的热量将金属熔融，高频加热效率高，升温快。
（5）本发明使用脉冲电流以及超声波振动使金属在纤维表面形成均匀的镀层而不会粘结。
（6）本发明在模具内部通入惰性气体很好的防止基体金属在熔融状态下与空气中的氧反应。
附图说明
图1：为本发明纤维增强金属基复合材料工艺装置图；
图2：为本发明纤维增强金属基复合材料生产中的电镀池装置图；
图3：为本发明纤维增强金属基复合材料预成型束高频加热模具示意图；
图4：为本发明纤维增强金属基复合材料截面微观示意图。
附图标记说明：
1-碳纤维或石墨纤维；2-金属材料A； 3-金属基体纤维材料B； 4-高温除胶炉； 5-电镀池； 6-水洗干燥装置； 7-预成型模； 8-高频加热模具； 9-牵引机；10-收卷机；
51-金属辊/石墨辊； 52-橡胶辊一； 53-超声波震板； 54-橡胶辊二； 55-橡胶辊三； 56-脉冲电源；57-金属材料A的碱性电解液；
81-熔融区； 82-挤压成型区； 83-冷却区； 84-感应线圈； 85-高频机。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
附图1公开了本发明连续制造碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料的生产装置，依次包括：高温除胶炉4、电镀池5、水洗干燥装置6、预成型模7、高频加热模具8、牵引机9和收卷机10，高温除胶炉4、电镀池5、水洗干燥装置6、预成型模7高频加热模具8和牵引机9通过牵引机9的传送装置依次连接，石墨纤维或碳纤维1依次通过上述装置后加工成为碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料，最后材料通过收卷机10进行收卷切割。除胶炉内的温度为600℃-800℃，并在除胶炉内充入惰性气体保护。
如图2所示，电镀的阳极为2金属材料A，在电镀池内设有超声波震板53，所述的电镀池使用的电源为脉冲电源56。电镀池内装有金属材料A碱性电解液57，碳纤维或石墨纤维1依次随着金属辊/石墨辊51、橡胶辊一52、橡胶辊二54和橡胶辊三55的带动经过电镀池完成电镀过程。金属辊/石墨辊51、橡胶辊一52、橡胶辊二54和橡胶辊三55由牵引机9牵引运动。
实施例1
本发明实施例为碳纤维或石墨纤维增强金属基复合材料制品为直径Φ7.8mm，纤维体积含量70%，增强纤维为碳纤维，金属基体为铝，用于输电铝绞线的承重芯，以替代现有的钢芯以及碳纤维复合芯（ACCC）。
步骤一，碳纤维的表面处理。将75束东丽T700,12K碳纤维1通过除胶炉4，以除去碳纤维表面的胶剂，除胶炉温度为600℃-800℃，炉内通氮气进行保护。而后进入电镀池5，电镀池内为碱性硫酸铜溶液，浓度为0.2-0.4mol/L，PH值控制在8-10范围。碳纤维进口导辊为金属辊/石墨辊，连接脉冲电源的阴极，阳极连接金属铜，浸泡在电解液中。通过计算调整电流密度，使其与纤维束量以及加工速度相匹配，得到纤维表面铜镀层厚度为0.5μm。为了防止金属镀层粘结，使用脉冲电流的同时，在电解池中设有超声波震板装置，使纤维不停的振动分散。电镀完成后，通过水洗及干燥装置6，干燥温度为180℃除去水分。
步骤二，将干燥后的镀铜碳纤维与金属基体铝纤维混杂，进入预成型装置，形成纤维/铝金属预成型束，预成型装置导孔内部直径为Φ9.3mm，铝纤维直径为Φ0.5mm，共73束，金属基体体积含量为30%。
步骤三，纤维/铝金属预成型束进入高频加热模具8，高温加热模具8为陶瓷整体模具，结构如图3所示，模具总长为900mm，分为熔融区81长度为600mm，挤压成型区82长度为150mm，冷却区83长度为150mm三段，其中，熔融区81进口端内部直径为Φ9.3mm，末端内部直径为Φ7.8mm，中间段为锥形逐渐变小，其后挤压成型区82与冷却区83内部直径均为Φ7.8mm。熔融区81与挤压成型区82均有感应线圈84加热。根据加工速度调整高频机85功率，加工速度控制在5m/min-15m/min，高频机功率控制在5Kw-20Kw，在高频模具各区停留时间分别为：熔融区81为2.4s-7.2s，挤压成型区82为0.8s-2.4s，冷却区83为0.8s-2.4s，将纤维/铝金属预成型束温度控制在700℃-900℃之间，防止铜镀层熔融。在模具进口端充入氮气进行保护。熔融金属铝在模具挤压的作用下进入纤维内部，然后冷却成型。
步骤四，将成型的碳纤维增强铝复合材料出模具后进行牵引收卷，根据需求进行切割。产品的微观结构如图4所示，金属材料A2均匀的镀在碳纤维或石墨纤维1的表层，且经过处理的纤维/金属均与的分散在金属基体纤维材料B3中。
通过更换模具，也可生产各种相同截面积的纤维增强金属基复合材料产品，如各种型材方管，圆管，工字型材，片材等。
实施例2
碳纤维增强金属基复合材料制品为直径Φ7.8mm，纤维体积含量70%，增强纤维为石墨纤维，金属基体为铝，用于输电铝绞线的承重芯，以替代现有的钢芯以及碳纤维复合芯（ACCC）。产品原料为160束东丽MJ50,6K石墨纤维、产品流程以及工艺参数与实施例1相同。
上面结合附图以及实施例对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (15)
1.一种连续制造碳纤维增强金属基复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤一 碳纤维的预处理；
步骤二 碳纤维与金属基体纤维混杂预成型；
步骤三 利用高频模具加热熔融定型、冷却；
步骤四 收卷切割;
所述的步骤一中首先通过高温除胶炉除去碳纤维表面的胶剂，然后在碳纤维表面电镀一层金属材料A，电镀完成后通过水洗干燥装置除去水份，其中，水洗干燥装置的温度为150℃-200℃；
所述的步骤二中将水洗干燥后镀有金属材料A的碳纤维与金属基体纤维材料B混杂后，一起通过预成型装置，通过预成型装置内的导丝板以及挤压作用，初步形成具有产品外形紧密排布的纤维/金属预成型束；
所述的步骤三中将上一步骤得到的纤维/金属预成型束通过高频加热模具熔融，冷却后成型即得到碳纤维增强金属基复合材料；
所述的步骤四中在牵引机的作用下将冷却成型的碳纤维增强金属基复合材料产物收卷切割，按照需求包装；
所述金属材料A为金属铜、镍、银、铜合金、镍合金、银合金；
所述金属基体纤维材料B为锡、铅、镁、铝、锡合金、铅合金、镁合金、铝合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤一所述电镀时使用脉冲电流以及超声波振动使金属材料A在碳纤维表面形成均匀的镀层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述金属材料A镀层厚度为0.01-1μm。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述金属材料A镀层厚度为0.1-0.5μm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述金属材料A为金属铜或镍。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述金属基体纤维材料B中的金属基体为铝或铝合金。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述金属基体纤维材料B的熔点低于所述金属材料A的熔点。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述金属基体纤维材料B在镀有金属材料A的碳纤维和金属基体纤维材料B的总量中所占的体积分数为10%-80%。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于：所述金属基体纤维材料B在镀有金属材料A的碳纤维和金属基体纤维材料B的总量中所占的体积分数为30%-70%。
10.一种连续制造碳纤维增强金属基复合材料的生产装置，其特征在于依次包括： 高温除胶炉（4）、 电镀池（5）、水洗干燥装置（6）、 预成型模（7）、高频加热模具（8）、 牵引机（9）和收卷机（10），所述高温除胶炉（4）、 电镀池（5）、水洗干燥装置（6）、预成型模（7）、高频加热模具（8）和牵引机（9）通过所述牵引机（9）的传送装置依次连接，并将所述碳纤维加工为碳纤维增强金属基复合材料，最后所述材料通过收卷机（10）进行收卷切割。
11.根据权利要求10所述生产装置，其特征在于：所述除胶炉（4）内的温度为600℃-800℃，并在所述除胶炉（4）内充入惰性气体保护。
12.根据权利要求10所述生产装置，其特征在于：所述电镀池（5）内设有超声波震板，所述的电镀池（5）使用的电源为脉冲电源。
13.根据权利要求10所述生产装置，其特征在于：所述高频加热模具（8）为陶瓷模具，所述高频加热模具（8）分为左端的加热熔融区（81），设置在中部的挤压成型区（82）和和右端的冷却区（83）。
14.根据权利要求13述生产装置，其特征在于：所述加热熔融区（81）从进口端到出口端内径逐渐变小，所述的挤压成型区（82）和冷却区（83）的内径与所述加热熔融区的出口端内径形同。
15.根据权利要求14所述生产装置，其特征在于：在所述高频加热模具（8）进口端充入惰性气体保护。
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