CN102943225A - 一种碳纤维布/铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维布/铝合金复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用表面电镀铜后的碳纤维布与铝合金放电等离子烧结（SPS）后而得到的碳纤维布/铝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、碳纤维布包覆铜：利用电镀的方法将铜包覆于碳纤维布表面；步骤3、制备预制件：将镀铜后的碳纤维布与铝合金薄片交替叠放，制成预制件，制作时需按碳纤维布在铝合金内的含量及排布要求进行制作；步骤4、SPS加压烧结预制件，最终得到需要的碳纤维布/铝合金复合材料。本发明制备的碳纤维布/铝合金材料复合良好，碳纤维布的体积含量和分布可控。该复合材料具有高比模量、高韧性、高比强度和优良抗剪切能力，适用于建筑领域及防护领域。

Description

一种碳纤维布/铝合金复合材料及其制备方法
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/铝合金复合材料的制备方法。
背景技术
碳纤维布/铝合金复合材料由具有高比强度的铝合金和具有高比模量、良好韧性和高抗拉强度的碳纤维布复合而成，具有密度低、比强度高、抗拉伸及比模量高等优点。其力学性能可由碳纤维布在铝合金内的含量和分布状态进行一定范围内的调整。在建筑、军工等领域有着良好的应用前景。
现阶段的建筑材料内使用碳纤维布与金属材料复合时，多将其作为表面或作为夹层粘贴于金属之上。其特点是加工工序简单易控。但缺点在于这种复合材料结合力很低，在使用中容易发生脱抽，很难发挥出碳纤维布抗拉伸及抗剪切的优势。
铝合金因其高的比强度常作为轻质材料使用，但在高应变率加载下极易发生剪切破坏，限制了其使用范围。现阶段可制备出短碳纤维/铝合金复合材料，但对提高其抗剪切能力效果不显著且碳纤维的排布难以控制。
碳纤维布在加热到450℃以上会发生失重，而该温度无法达到铝合金的浇铸温度；且因其具有疏水性和表面惰性，与金属熔体湿润不良，无法直接通过浇铸法与铝合金复合。
本发明利用碳纤维布预处理后电镀铜的方法先将其金属化，而后将碳纤维布与铝合金片叠层放置，最终经SPS烧结获得层状复合材料。该方法解决了碳纤维布与铝合金润湿不良、结合性差的问题。制成的材料具有高的比强度、比模量、韧性和抗剪切强度，内部碳纤维布的分布和含量均可控。
发明内容
本发明的目的在于克服碳纤维布难以复合入铝合金内且结合差的缺点，提供一种具有高的比强度、比模量且碳纤维布含量和分布状态可控的碳纤维布/铝合金复合材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：在碳纤维布表面通过镀铜使其金属化，提高了与液态铝润湿性的同时又防止在高温条件下发生失重。再在制作预制件过程中对碳纤维布按要求进行排布，将预制件SPS烧结得到最终成品。
上述的具有高比强度和比模量的碳纤维布/铝合金的制备方法如下：
步骤1：根据对成品内碳纤维布的尺寸对其进行裁剪，再对其进行去胶、粗化处理；
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15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
步骤3：按所需成品的尺寸要求及其内部碳纤维布的分布要求对固态铝合金进行切割，随后与碳纤维布交替叠放制成预制件；
步骤4：SPS烧结预制件，烧结温度为480℃，施加压力50MPa，保压时间15min，冷却方法为空冷。
本发明相对于现有的通过粘贴获得碳纤维布/铝合金复合材料，其优势在于：
(1)在碳纤维布表面通过镀铜使其金属化，防止在高温条件下发生失重，同时提高了与液态铝润湿性，并防止碳与铝之间发生化学反应。
(2)铜具有很好的塑性变形能力，在SPS加压过程中表现出良好的流动性，可降低复合材料的孔隙率，提高致密度。
(3)铜本身为铝合金的强化元素，不会作为杂质元素引入，使通过SPS烧结获得碳纤维布/铝合金复合材料变为可行。
(4)通过SPS加压烧结方法获得的碳纤维布/铝合金复合材料，界面结合良好，不易发生脱抽，保证了材料的高比模量。
(5)碳纤维布在铝合金内的分布状态和体积含量均可控制。
附图说明
图1为镀铜后碳纤维布形貌；
图2为SPS烧结后碳纤维布/铝合金复合材料SEM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、将碳纤维布裁剪成直径100mm圆片，随后用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化；
2、采用电镀铜的方法对碳纤维布进行处理。采用脉冲电源，电流占空比为80%，电流密度为10A/dm2，，脉冲电流频率为100Hz。镀液成分为CuSO4600g/L，H2SO4200g/L。施镀温度为28℃，施镀时间为120min。铜层厚度50μm。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、将铝合金切割成Φ100mm×2mm的薄片；将铝合金片与镀铜后碳纤维布放置在稀硝酸溶液中清洗5s，去除表面氧化层和油污等污染物；
4、将铝合金片与镀铜碳纤维布交替叠放，即铝合金薄片上放置一层碳纤维布，再将另一片铝合金薄片置于碳纤维布上，如此重复5次，得到直径100mm的圆柱形预制件；
5、将预制件放在SPS烧结炉中进行加压烧结，烧结温度为480℃，升温速率为100℃/min，在升温过程中缓慢加压，加压速率10MPa/min，施加最大压力为50MPa，保压时间25min。降压后空冷获得成品。
实施例2
1、将碳纤维布裁剪成直径50mm圆片，随后用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化；
2、采用电镀铜的方法对碳纤维布进行处理。采用脉冲电源，电流占空比为80%，电流密度为10A/dm2，，脉冲电流频率为100Hz。镀液成分为CuSO4600g/L，H2SO4200g/L。施镀温度28℃，施镀时间120min。铜层厚度50μm。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、将铝合金切割成Φ50mm×1mm的薄片；将铝合金片与镀铜后碳纤维布放置在稀硝酸溶液中清洗5s，去除表面氧化层和油污等污染物；
4、将铝合金片与镀铜碳纤维布交替叠放，即铝合金薄片上放置一层碳纤维布，再将另一片铝合金薄片置于碳纤维布上，如此重复10次，得到直径50mm的圆柱形预制件；
5、将预制件放在SPS烧结炉中进行加压烧结，烧结温度为480℃，升温速率为100℃/min，在升温过程中缓慢加压，加压速率10MPa/min，施加最大压力为50MPa，保压时间25min。降压后空冷获得成品。
实施例3
1、将碳纤维布裁剪成直径100mm圆片，随后用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化；
2、采用电镀铜的方法对碳纤维布进行处理。采用脉冲电源，电流占空比为80%，电流密度为10A/dm2，，脉冲电流频率为100Hz。镀液成分为CuSO4600g/L，H2SO4200g/L。施镀温度28℃，施镀时间60min。铜层厚度20μm。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、将铝合金切割成Φ100mm×2mm的薄片；将铝合金片与镀铜后碳纤维布放置在稀硝酸溶液中清洗5s，去除表面氧化层和油污等污染物；
4、将铝合金片与镀铜碳纤维布交替叠放，即铝合金薄片上放置一层碳纤维布，再将另一片铝合金薄片置于碳纤维布上，如此重复5次，得到直径100mm的圆柱形预制件；
5、将预制件放在SPS烧结炉中进行加压烧结，烧结温度为480℃，升温速率为100℃/min，在升温过程中缓慢加压，加压速率10MPa/min，施加最大压力为50MPa，保压时间10min。降压后空冷获得成品。
实施例4
1、将碳纤维布裁剪成直径60mm圆片，随后用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化；
2、采用电镀铜的方法对碳纤维布进行处理。采用脉冲电源，电流占空比为80%，电流密度为10A/dm2，，脉冲电流频率为100Hz。镀液成分为CuSO4600g/L，H2SO4200g/L。施镀温度28℃，施镀时间60min。铜层厚度20μm。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、将铝合金切割成Φ60mm×1mm的薄片；将铝合金片与镀铜后碳纤维布放置在稀硝酸溶液中清洗5s，去除表面氧化层和油污等污染物；
4、将铝合金片与镀铜碳纤维布交替叠放，即铝合金薄片上放置一层碳纤维布，再将另一片铝合金薄片置于碳纤维布上，如此重复10次，得到直径60mm的圆柱形预制件；
5、将预制件放在SPS烧结炉中进行加压烧结，烧结温度为480℃，升温速率为100℃/min，在升温过程中缓慢加压，加压速率10MPa/min，施加最大压力为50MPa，保压时间10min。降压后空冷获得成品。
实施例5
1、将碳纤维布裁剪成直径80mm圆片，随后用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化；
2、采用电镀铜的方法对碳纤维布进行处理。采用脉冲电源，电流占空比为80%，电流密度为10A/dm2，，脉冲电流频率为100Hz。镀液成分为CuSO4600g/L，H2SO4200g/L。施镀温度28℃，施镀时间90min。铜层厚度30μm。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、将铝合金切割成Φ80mm×1.5mm的薄片；将铝合金片与镀铜后碳纤维布放置在稀硝酸溶液中清洗5s，去除表面氧化层和油污等污染物；
4、将铝合金片与镀铜碳纤维布交替叠放，即铝合金薄片上放置一层碳纤维布，再将另一片铝合金薄片置于碳纤维布上，如此重复7次，得到直径80mm的圆柱形预制件；
5、将预制件放在SPS烧结炉中进行加压烧结，烧结温度为480℃，升温速率为100℃/min，在升温过程中缓慢加压，加压速率10MPa/min，施加最大压力为50MPa，保压时间15min。降压后空冷获得成品。

Claims (6)

1.一种碳纤维布/铝合金复合材料，其特征在于：碳纤维布分布于铝合金块体内，碳纤维布体积含量及分布可控。该复合材料是通过在碳纤维布表面电镀铜后与固态铝合金薄片进行SPS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：碳纤维布在铝合金块体内的分布位置和数量可在制备预制件时进行调整。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于：碳纤维布表面有镀铜层。
4.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)根据对成品内碳纤维布的尺寸对其进行裁剪，再对其进行去胶、粗化处理；
(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15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
(3)按所需成品的尺寸要求及其内部碳纤维布的分布要求对固态铝合金进行切割才成薄片，随后与碳纤维布交替叠放制成预制件；
(4)SPS烧结预制件，冷却方法为空冷。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维布/铝合金复合材料的制备方法，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，粗化液为成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的混合溶液；
(3)对碳纤维布进行镀铜时，采用电镀的方法使用的镀液成分为硫酸铜600g/L、浓硫酸200g/L，所使用电极为自损耗铜电极；
(4)制备碳纤维布-铝合金薄片叠层预制件前，需先用稀硝酸对碳纤维布和铝合金薄片进行除氧化层和除油污处理；
(5)SPS烧结时，烧结温度为铝合金固相线下60～100℃，施加压力50MPa，保压时间15min，冷却方式为空冷。
6.如权利要求5所述的碳纤维布、铝合金复合材料的制备方法，其特征在于：碳纤维布电镀铜层厚度为20～50微米。
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