CN102936706A - 一种碳纤维布-钛合金复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维布-钛合金复合材料及其制备方法。该方法的具体步骤是：步骤1、碳纤维布预处理；步骤2、碳纤维布表面电镀铜：利用电镀的方法将铜包覆于碳纤维布表面；步骤3、按一定顺序，将镀铜的碳纤维布与钛合金片放置于模具内；步骤4、通过放电等离子烧结（SPS）方法，最终得到需要形状的碳纤维布-钛合金复合材料。本发明制备的碳纤维布-钛合金材料复合良好，铜起到了良好的界面润湿作用，并有效阻止了钛与碳的界面反应，钛合金成分可调，碳纤维布的分布可控，碳纤维与基体结合牢固。该复合材料具有高的比模量和界面结合强度，同时与钛合金相比具有更低的密度和更高的静态、动态压缩强度，是一种高性能的结构材料。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维布镀铜和金属复合材料的制备工艺，属于冶金技术领域，尤其涉及一种碳纤维布-钛合金复合材料的制备方法。
背景技术
钛合金因其高的比强度和优异的抗蚀性能，常应用于航空、武器、汽车和医学等领域。随着科学技术的发展，各个应用领域对钛合金材料性能的要求越来越高，材料不仅需要强度高、密度小、刚度大、塑性和韧性好，还需要具备良好的动态力学性能。但是仅通过钛合金材料很难满足以上要求，因此研究人员开始考虑制备力学性能优异的钛合金复合材料，碳纤维由于具有一系列优异性能而成为复合材料中主要的增强纤维。与钛合金材料相比，碳纤维增强钛合金复合材料具有良好的耐磨性能、耐高温性能、耐疲劳性能，以及更高的比强度和比模量，其构件质量小、刚性好、强度高，是航天、航空技术领域中理想的结构材料，未来有望应用于对材料性能要求极为苛刻的兵器领域。因此，制备出高性能的碳纤维-钛合金复合材料将具有很广阔的应用前景。
现阶段制备碳纤维与金属基复合材料时多采取简单的机械复合方式或直接将碳纤维用冶金方式与金属块复合。但是碳纤维表面光滑、惰性大、具有化学活性的官能团少，与钛合金基体间的化学相容性和物理相容性差，因此钛合金不能均匀覆盖于碳纤维表面并渗入到碳纤维的间隙之间，这样获得的复合材料结合力很低，在使用中容易发生纤维脱抽，很难发挥出碳纤维抗拉伸及抗剪切的优势。
利用SPS方法制备镀铜碳纤维布与钛合金的复合材料时，烧结温度在950℃以上，而碳纤维在空气中加热到350℃以上的高温时会发生不同程度的氧化失重，且钛合金与碳纤维易发生界面反应，产生大量脆性相TixC。
铜与碳纤维具有很好的化学相容性，熔融状态下的铜既不与碳纤维产生化学反应，也不形成固溶体；通过电镀的方法可以在碳纤维表面形成均匀致密、结合牢固的铜镀层，且铜层与钛合金基体润湿性良好。
本发明利用碳纤维布预处理后电镀铜层方法先将其金属化，再通过SPS方法将其与钛合金快速复合。对碳纤维进行除胶及粗化处理，通过增加碳纤维表面的粗糙程度初步改善了碳纤维对钛合金的润湿性；复合前对碳纤维进行表面电镀铜层处理，铜作为过渡层起到了良好的界面润湿作用，进一步解决了碳纤维与钛合金润湿性差造成的结合性差的问题，并抑制了钛合金高温碳化反应和碳纤维高温氧化现象的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备性能优异的碳纤维布-钛合金复合材料的方法，克服碳纤维与钛合金润湿性差造成的结合性差的问题，并提高了碳纤维自身的耐热抗氧化能力。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：在碳纤维表面电镀铜层使其金属化，改善界面润湿性的同时提高了碳纤维与钛合金间的结合强度，还能抑制碳纤维在高温条件下发生氧化失重；然后按照需要裁切、排布碳纤维布与钛合金片，再进行放电等离子烧结最终获得成品。
上述结合良好、性能优异的碳纤维-钛合金的制备方法如下：
步骤1：按所需成品内碳纤维布的形状、尺寸和数量要求，裁剪一块或几块足够大的碳纤维布，再对其进行去胶、粗化处理，取出后用去离子水水洗3遍；
步骤2：采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，取出后用去离子水水洗3遍，再在80～100℃的热风中进行干燥；
步骤3：将钛合金以及镀铜的碳纤维布裁切成所需的形状、尺寸和数量，按照成品的要求分布于SPS模具中；
步骤4：将安装好的模具放置于SPS烧结炉中进行烧结。
本发明相对于现有的通过简单机械复合方法获得的碳纤维-钛合金复合材料，其优势在于：
(1)在预处理后的碳纤维表面上电镀铜层使其金属化，改善界面润湿性的同时提高了碳纤维与钛合金间的结合强度，还能抑制碳纤维在高温条件下发生氧化失重；然后按照需要裁切、排布碳纤维布与钛合金片，再进行放电等离子烧结，最终使SPS法制备性能优异的碳纤维布-钛合金复合材料变为可能。
(2)通过SPS方法获得的碳纤维-钛合金复合材料界面结合良好，具有良好的组织均匀性以及很高的致密度，不易发生纤维脱粘和拔出，保证了材料高的力学使用性能。
(3)通过改变电镀的电流密度、电镀时间和电镀温度，可以调整铜过渡层的厚度；通过改变镀铜碳纤维布和钛合金片的形状、尺寸及数量，可以得到所需要的产品。
附图说明
图1为碳纤维布镀铜后整体照片；
图2为镀铜碳纤维布与钛合金复合后整体照片；
图3为镀铜碳纤维布与钛合金复合后界面照片；
图4为镀铜碳纤维布与钛合金复合后界面局部放大照片。
具体实施方式
以下结合五个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不能理解为对本发明技术方案的限定。一些不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明权利保护范围。
实施例1
1、将碳纤维布裁剪成长度为10cm×10cm的方片，并应用空气灼烧法除胶，再使用体积分数为50%的硝酸水溶液粗化10h，取出后用去离子水水洗3遍；
2、采用电镀的方法对碳纤维进行表面镀铜处理，镀液成分为CuSO4（150g/L），H2SO4(50g／L)，蒸馏水；电流密度为3A/dm2，频率为1000赫兹，占空比80%，转速60转/分钟，施镀温度20℃，施镀时间2h；取出后用去离子水水洗3遍，再在80℃的热风中进行干燥；
3、将TC4钛合金（铝：6%、钒：4%、钛剩余）以及镀铜的碳纤维布裁切成所需的形状、尺寸和数量，按照成品的要求分布于SPS模具中；
4、将安装好的模具放置于SPS烧结炉中烧结，烧结温度为1050℃，压力为50MPa，升温速度100℃/min，保温15min，水冷获得制品。
实施例2
1、将碳纤维布裁剪成长度为10cm×10cm的方片，并应用空气灼烧法除胶，再使用体积分数为50%的硝酸水溶液粗化10h，取出后用去离子水水洗3遍；
2、采用电镀的方法对碳纤维进行表面镀铜处理，镀液成分为CuSO4（150g/L），H2SO4(50g／L)，蒸馏水；电流密度为1A/dm2，频率为1000赫兹，占空比80%，转速60转/分钟，施镀温度20℃，施镀时间2h；取出后用去离子水水洗3遍，再在80℃的热风中进行干燥；
3、将TC4钛合金（铝：6%、钒：4%、钛剩余）以及镀铜的碳纤维布裁切成所需的形状、尺寸和数量，按照成品的要求分布于SPS模具中；
4、将安装好的模具放置于SPS烧结炉中烧结，烧结温度为1050℃，压力为50MPa，升温速度100℃/min，保温15min，水冷获得制品。
实施例3
1、将碳纤维布裁剪成长度为10cm×10cm的方片，并应用空气灼烧法除胶，再使用体积分数为50%的硝酸水溶液粗化10h，取出后用去离子水水洗3遍；
2、采用电镀的方法对碳纤维进行表面镀铜处理，镀液成分为CuSO4（150g／L），H2SO4(50g／L)，蒸馏水；电流密度为3A/dm2，频率为1000赫兹，占空比80%，转速60转/分钟，施镀温度30℃，施镀时间2h；取出后用去离子水水洗3遍，再在80℃的热风中进行干燥；
3、将TC4钛合金（铝：6%、钒：4%、钛剩余）以及镀铜的碳纤维布裁切成所需的形状、尺寸和数量，按照成品的要求分布于SPS模具中；
4、将安装好的模具放置于SPS烧结炉中烧结，烧结温度为1050℃，压力为50MPa，升温速度100℃/min，保温15min，水冷获得制品。
实施例4
1、将碳纤维布裁剪成长度为10cm×10cm的方片，并应用空气灼烧法除胶，再使用体积分数为50%的硝酸水溶液粗化10h，取出后用去离子水水洗3遍；
2、采用电镀的方法对碳纤维进行表面镀铜处理，镀液成分为CuSO4（150g/L），H2SO4(50g／L)，蒸馏水；电流密度为3A/dm2，频率为1000赫兹，占空比80%，转速60转/分钟，施镀温度20℃，施镀时间2h；取出后用去离子水水洗3遍，再在80℃的热风中进行干燥；
3、将TC4钛合金（铝：6%、钒：4%、钛剩余）以及镀铜的碳纤维布裁切成所需的形状、尺寸和数量，按照成品的要求分布于SPS模具中；
4、将安装好的模具放置于SPS烧结炉中烧结，烧结温度为980℃，压力为50MPa，升温速度100℃/min，保温15min，水冷获得制品。
实施例5
1、将碳纤维布裁剪成长度为10cm×10cm的方片，并应用空气灼烧法除胶，再使用体积分数为50%的硝酸水溶液粗化10h，取出后用去离子水水洗3遍；
2、采用电镀的方法对碳纤维进行表面镀铜处理，镀液成分为CuSO4（150g／L），H2SO4(50g／L)，蒸馏水；电流密度为3A/dm2，频率为1000赫兹，占空比80%，转速60转/分钟，施镀温度20℃，施镀时间2h；取出后用去离子水水洗3遍，再在80℃的热风中进行干燥；
3、将TC4钛合金（铝：6%、钒：4%、钛剩余）以及镀铜的碳纤维布裁切成所需的形状、尺寸和数量，按照成品的要求分布于SPS模具中；
4、将安装好的模具放置于SPS烧结炉中烧结，烧结温度为1050℃，压力为45MPa，升温速度100℃/min，保温15min，水冷获得制品。
Claims (8)
1.一种碳纤维布-钛合金复合材料，其特征在于：碳纤维布与钛合金片按照“钛合金片-纤维布-钛合金片”的顺序叠层分布，钛合金成分可调，碳纤维布分布可控，该复合材料是通过在碳纤维布表面电镀铜后置于放电等离子烧结（SPS）模具内进行烧结的方法制备得到的。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于：钛合金的成分允许根据需要进行调整。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于：碳纤维布与钛合金片的分布位置、角度、形状、尺寸和数量可在SPS模具内进行调整。
4.如权利要求1所述的材料，其特征在于：碳纤维布表面镀有铜层。
5.如权利要求1所述的材料，其特征在于所述材料是通过以下过程制备的：
(1)对碳纤维布进行除胶、粗化处理；
(2)采用电镀的方法在碳纤维布表面施镀铜层；
(3)将钛合金以及镀铜的碳纤维布按照成品的要求分布于SPS模具中；
(4)将安装好的模具放置于SPS烧结炉中进行烧结。
6.如权利要求1所述的一种碳纤维-钛合金复合材料的制备方法，其特征在于：
(1)按所需成品内碳纤维布的形状、尺寸和数量要求，裁剪一块或几块足够大的碳纤维布，再对其进行去胶、粗化处理，取出后用去离子水水洗3遍；
(2)采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，取出后用去离子水水洗3遍，再在80～100℃的热风中进行干燥；
(3)将钛合金以及镀铜的碳纤维布裁切成所需的形状、尺寸和数量，按照成品的要求分布于SPS模具中；
(4)将安装好的模具放置于SPS烧结炉中进行烧结。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
(1)对碳纤维布进行预处理时，去胶过程采用的是空气灼烧的方法；
(2)对碳纤维布进行预处理时，粗化液成分是体积分数为40%~60%的硝酸水溶液；
(3)对碳纤维布进行电镀铜时，镀液成分为CuSO4（150g/L），H2SO4(50g／L)，蒸馏水；电流密度为1~3A/dm2，频率为1000赫兹，占空比80%，转速60转/分钟，施镀温度20~30℃，施镀时间2h；
(4)对表面镀铜碳纤维布进行与钛合金的复合时，采用的是SPS方法，按钛合金的成分要求切割获得规定成分的钛合金片后，将钛合金片以及镀铜碳纤维布按照成品的要求分布于SPS模具中，并置于SPS烧结炉中烧结，烧结温度为980~1050℃，压力为45~50MPa，升温速度100℃/min，保温15min。
8.如权利要求5所述的碳纤维布-钛合金复合材料的制备方法，其特征在于：碳纤维镀铜层厚度为20~150微米。
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