CN102582146A

CN102582146A - 以镁合金为基体的复合材料及其制造方法

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Publication number: CN102582146A
Application number: CN2011104604789A
Authority: CN
Inventors: 汪训国; 常林荣
Original assignee: Hangzhou Chaotan New Material Tech Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Chaotan New Material Tech Co Ltd
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2031-12-31
Also published as: CN102582146B

Abstract

本发明属于复合材料及其制造方法技术领域，具体涉及一种以镁合金为基体的复合材料及其制造方法。以镁合金为基体的复合材料，包括镁合金件，以镁合金件为基体，在镁合金件的外表面制一层微弧氧化膜层，所述微弧氧化膜层的外表面包覆并固化碳纤维环氧树脂层。本发明复合材料同时具备碳纤维和镁合金的优点，其密度小、比强度高、比刚度高，具有良好的阻尼减震性能和装饰性，外层的碳纤维/环氧树脂材料有效的保护了镁合金，并大幅提高了复合材料的耐腐蚀性。此外，镁合金的使用也减少了碳纤维的用量，与同等性能的碳纤维复合材料相比，其成本更低，从而使得该复合材料具有更广泛的应用前景。

Description

以镁合金为基体的复合材料及其制造方法

技术领域

本发明属于复合材料及其制造方法技术领域，具体涉及一种以镁合金为基体的复合材料及其制造方法。

背景技术

在金属材料中，镁合金具有密度小、比强度和比刚度高的优点，同时其还具有良好的阻尼减震性能，而且镁合金储量丰富，易于回收利用，因而作为一种集多优点的轻质结构材料，镁合金已经被广泛地应用于3C产品制造领域(所谓的“3C产品”即计算机(Computer)、通信(Communication)和消费类电子产品(Consumer Electronics))。另外，出于节能减排的考虑，汽车轻质化逐渐成为一个大趋势，因此镁合金又被应用于汽车的车体上。镁合金虽有其优点，但是，其耐热性、耐腐蚀性、耐磨性及装饰性都比较差，所以镁合金需要进行各种表面处理来弥补其缺陷，增强其各种性能。

碳纤维/环氧树脂复合材料不仅具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点，而且表面可以做出特殊且美观的编织花纹，具有很好的装饰性。但碳纤维价格较贵，且其复合材料成型工艺复杂，影响了它在民用产品中的使用。

发明内容

本发明提供了一种以镁合金为基体的复合材料及其制造方法。本发明方法将镁合金和碳纤维/环氧树脂复合材料完美结合，制备出一种复合材料，同时兼具两种材料的优点，而摒弃了两种材料缺点，并且可以极大地减少各种材料的用量，降低制造成本。本发明新型的碳纤维/环氧树脂/镁合金复合材料可广泛用于汽车的车体和结构性部件。

本发明采取以下技术方案：以镁合金为基体的复合材料，包括镁合金件，以镁合金件为基体，在镁合金件的外表面制一层微弧氧化膜层，所述微弧氧化膜层的外表面包覆并固化碳纤维环氧树脂层。

优选的，镁合金件的厚度为0.6mm～2mm。

优选的，微弧氧化膜层的厚度为10μm～50μm。

本发明以镁合金为基体的复合材料制造方法，主要包括如下三个步骤：碳纤维预浸料的制备、镁合金件的成型及微弧氧化膜的制成、复合材料的成型，具体按如下步骤进行：

(1)碳纤维预浸料的制备：将基体树脂溶解于非活性稀释剂中制成树脂溶液，树脂溶液的固含量为30％～70％；然后将通过所述树脂溶液浸渍过的碳纤维(可以采用湿法缠绕的工艺)编制成预浸料；而后将预浸料置于通风处，除去预浸料中的稀释剂，待用；

(2)镁合金件的成型和微弧氧化膜的制成：首先，将镁合金件制成所需的形状；然后在镁合金件的外表面制一层微弧氧化膜层，此微弧氧化膜多孔且与镁合金基体有良好的结合力；制好的镁合金件经水洗和热风干燥后置于干燥的环境中，待用；(在本步中，可以采用压铸工艺将镁合金件制成所需的形状；优选的，镁合金件的壁厚约为0.6mm～2mm；微弧氧化膜的厚度为约为10μm～50μm。)

(3)复合材料的成型：将第(1)步的碳纤维预浸料包覆于第(2)步制好的镁合金件的外表面，然后将包覆好的镁合金件置于模具中，在一定的温度和压力下固化成型；固化成型过程中，环氧树脂可以渗入微弧氧化膜的孔隙中，从而使得外层的碳纤维复合材料与内层镁合金件材料具有良好的结合力。脱模后得到碳纤维/环氧树脂/镁合金复合材料。

注：上述制造方法中，第(1)步与第(2)步对换，也可以达到本发明的目的，不再详述。

优选的，非活性溶剂为二乙基酮、丁酮、环己酮或丙酮。

优选的，基体树脂由环氧树脂、固化剂和促进剂配制而成。

进一步优选的，基体树脂中的环氧树脂由缩水甘油醚型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂和酚醛型环氧树脂配制而成，且该环氧树脂的软化点在30℃～35℃。

更进一步优选的，缩水甘油醚型环氧树脂的质量百分数为10％～70％，所述的缩水甘油胺型环氧树脂的质量百分数为10％～50％，所述的酚醛型环氧树脂的质量分数为20％～80％。

优选的，基体树脂的固化剂由双氰胺和4，4’-二氨基二苯砜配制而成，所述的促进剂为有机脲。

优选的，镁合金件采用AZ(Mg-Al-Zn)系列(如AZ91)、AM(Mg-Al-Mn)系列(如AM60)、AS(Mg-Al-Si)系列(如AS41)或AE(Mg-Al-RE)系列(如AEA2)，除此之外其它添加各种金属元素的镁合金均可使用。

优选的，第(2)步中，采用环保型维护氧化工艺在镁合金表面制一层微弧氧化膜层，所使用的电解液组成如下：氢氧化钾3g/L～50g/L，硼酸10g/L～30g/L，四硼酸钠10g/L～20g/L，二水合柠檬酸二钠10g/L～20g/L，偏铝酸钠10g/L～20g/L，硅酸钠10g/L～20g/L；电极液温度为20～30℃；使用的电流密度为1A/dm²～10A/dm²；氧化时间为3min～10min。

优选的，第(3)步，复合材料的成型过程：将晾干的碳纤维预浸料贴合在镁合金件的外表面，然后将其置于模具内，将模具转移至热压机台上，按3～15℃/min的速度将温度升至180℃，于180℃恒温30～60min，恒温固化时，热压机的压力为3～10Mpa；固化结束后除去压力，将模具的温度降至50℃以下后脱模。

本发明复合材料同时具备碳纤维和镁合金的优点，其密度小、比强度高、比刚度高，具有良好的阻尼减震性能和装饰性，外层的碳纤维/环氧树脂材料有效的保护了镁合金，并大幅提高了复合材料的耐腐蚀性。此外，镁合金的使用也减少了碳纤维的用量，与同等性能的碳纤维复合材料相比，其成本更低，从而使得该复合材料具有更广泛的应用前景。

附图说明

图1是以镁合金为基体的复合材料的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明以镁合金为基体的复合材料，包括镁合金件1、微弧氧化膜层2、碳纤维环氧树脂层3，镁合金件1的厚度约为0.6mm～2mm，以镁合金件1为基体，在镁合金件1的外表面制一层厚度约为10μm～50μm的微弧氧化膜层2，微弧氧化膜层2的外表面包覆并固化碳纤维环氧树脂层3。其中，碳纤维环氧树脂层3中的树脂在本发明复合材料的合成过程中会渗入多孔微弧氧化膜层2，这样，既提高了各层之间的结合力，又使环氧树脂有一定的收缩和膨胀空间，缓解各层之间的收缩和拉伸应力。

本发明以镁合金为基体的复合材料制造方法，按如下步骤进行：

(1)碳纤维预浸料的制备：将基体树脂溶解于非活性稀释剂中制成树脂溶液，树脂溶液的固含量为30％～70％；然后将通过所述树脂溶液浸渍过的碳纤维采用湿法缠绕的工艺编制成预浸料；而后将预浸料置于通风处，除去预浸料中的稀释剂，待用；

在本步中，非活性溶剂可以选用二乙基酮、丁酮、环己酮或丙酮。

在本步中，基体树脂由环氧树脂、固化剂和促进剂配制而成；基体树脂中的环氧树脂由缩水甘油醚型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂和酚醛型环氧树脂配制而成，且该环氧树脂的软化点在30℃～35℃；缩水甘油醚型环氧树脂的质量百分数为10％～70％，缩水甘油胺型环氧树脂的质量百分数为10％～50％，酚醛型环氧树脂的质量分数为20％～80％。基体树脂的固化剂由双氰胺和4，4’-二氨基二苯砜配制而成，所述的促进剂为有机脲。

(2)镁合金件的成型和微弧氧化膜的制成：首先，采用压铸工艺将镁合金件制成所需的形状，镁合金件的壁厚约为0.6mm～2mm；然后采用环保型维护氧化工艺在镁合金件的外表面制一层厚度为约为10μm～50μm的微弧氧化膜层，环保型维护氧化工艺所使用的电解液组成如下：氢氧化钾3g/L～50g/L，硼酸10g/L～30g/L，四硼酸钠10g/L～20g/L，二水合柠檬酸二钠10g/L～20g/L，偏铝酸钠10g/L～20g/L，硅酸钠10g/L～20g/L；电极液温度为20～30℃；使用的电流密度为1A/dm²～10A/dm²；氧化时间为3min～10min。此微弧氧化膜具有多孔且与镁合金基体有良好的结合力；制好的镁合金件经水洗和热风干燥后置于干燥的环境中，待用；

本步中，镁合金件可以采用AZ(Mg-Al-Zn)系列(如AZ91)、AM(Mg-Al-Mn)系列(如AM60)、AS(Mg-Al-Si)系列(如AS41)或AE(Mg-Al-RE)系列(如AEA2)，除此之外，其它添加各种金属元素的镁合金均可使用。

(3)复合材料的成型：将第(1)步晾干的碳纤维预浸料包覆并贴合在第(2)步制好的镁合金件的外表面，然后将其置于模具内，将模具转移至热压机台上，按3～15℃/min的速度将温度升至180℃，于180℃恒温30～60min，恒温固化时，热压机的压力为3～10Mpa；固化结束后除去压力，将模具的温度降至50℃以下后脱模，脱模后得到碳纤维/环氧树脂/镁合金复合材料。

在固化成型过程中，环氧树脂可以渗入微弧氧化膜的孔隙中，从而使得外层的碳纤维复合材料与内层镁合金件材料具有良好的结合力。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

Claims

1.以镁合金为基体的复合材料，包括镁合金件，其特征是：以镁合金件为基体，在镁合金件的外表面制一层微弧氧化膜层，所述微弧氧化膜层的外表面包覆并固化碳纤维环氧树脂层。

2.以镁合金为基体的复合材料制造方法，其特征是按如下步骤进行：

(1)碳纤维预浸料的制备：将基体树脂溶解于非活性稀释剂中制成树脂溶液，该树脂溶液的固含量为30％～70％；然后将经过所述树脂溶液浸渍过的碳纤维编制成预浸料；而后将预浸料置于通风处，除去预浸料中的稀释剂；

(2)镁合金件的成型和微弧氧化膜的制成：首先，将镁合金件制成所需的形状，然后在镁合金件的外表面制一层微弧氧化膜层，制好的镁合金件经水洗和热风干燥后置于干燥的环境中；

(3)复合材料的成型：将第(1)步的预浸料包覆于第(2)步制好的镁合金件的外表面，然后将包覆好的镁合金件置于模具中，固化成型；脱模后得到复合材料。

3.根据权利要求2所述的复合材料制造方法，其特征在于：所述的非活性溶剂为二乙基酮、丁酮、环己酮或丙酮。

4.根据权利要求2所述的复合材料制造方法，其特征在于：所述的基体树脂由环氧树脂、固化剂和促进剂配制而成。

5.根据权利要求4所述的复合材料制造方法，其特征在于：所述基体树脂中的环氧树脂由缩水甘油醚型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂和酚醛型环氧树脂配制而成，且该环氧树脂的软化点在30℃～35℃。

6.根据权利要求5所述的复合材料制造方法，其特征在于：所述的缩水甘油醚型环氧树脂的质量百分数为10％～70％，所述的缩水甘油胺型环氧树脂的质量百分数为10％～50％，所述的酚醛型环氧树脂的质量分数为20％～80％。

7.根据权利要求4所述的复合材料制造方法，其特征在于：所述的固化剂由双氰胺和4，4’-二氨基二苯砜配制而成，所述的促进剂为有机脲。

8.根据权利要求2所述的复合材料制造方法，其特征在于：所述镁合金件采用AZ系列、AM系列、AS系列或AE系列。

9.根据权利要求2所述的复合材料制造方法，其特征在于：第(2)步中，采用环保型维护氧化工艺在镁合金表面制一层微弧氧化膜层，所使用的电解液组成如下：氢氧化钾3g/L～50g/L，硼酸10g/L～30g/L，四硼酸钠10g/L～20g/L，二水合柠檬酸二钠10g/L～20g/L，偏铝酸钠10g/L～20g/L，硅酸钠10g/L～20g/L；电极液温度为20～30℃；使用的电流密度为1A/dm²～10A/dm²；氧化时间为3min～10min。

10.根据权利要求2所述的复合材料制造方法，其特征在于：第(3)步，复合材料的成型过程：将晾干的预浸料贴合在镁合金件表面，然后置于模具内，将模具转移至热压机台上，按3～15℃/min的速度将温度升至180℃，于180℃恒温30～60min，恒温固化时，热压机的压力为3～10Mpa；固化结束后除去压力，将模具的温度降至50℃以下后脱模。