CN103243280A - 一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，所述的复合材料的成分为：按重量百分比:碳纤维4～6%、Li1.0～1.3%、Nd0.7～0.9%，余量为铝，所述的碳纤维为沥青基碳纤维、碳纳米管类或聚丙烯腈类，碳纤维的长度为105nm～4.5mm。该复合材料密度低于2.2g/cm3，经测试，该材料的抗拉强度达到605Mpa，屈服强度达到452Mpa。

Description

一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备领域，具体涉及一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维由分解温度低于熔融温度的纤维聚合而成，石油产品和化纤经特殊处理制成。碳纤维密度仅仅1.85g/cm3，而强度可达7000Mpa左右，比一般铝合金强度高10倍。在比强度和比模量方面，比其它高性能纤维高的多。碳纤维的成分中碳含量在90%左右，力学性能优良。即使在2000℃以上高温惰性气氛下，碳纤维的强度仍不下降。在这一点上，没有任何一种材料能与它相比。此外，碳纤维还具有其他多种优良性能:低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高振动衰减性、低的热膨胀系数、导电导热性。在金属基体中加入质量分数为 3%～5% 高性能纤维作为复合材料的主要承载体，能大大提高复合材料的比强度。20世纪70年代的设计出的铝基复合材料，具有较低的热膨胀系数，较高导热率、耐高温、较高的抵抗磨损性能、抗拉强度、屈服强度等力学性能比一般金属高、大部分性能通过优化成分和热处理工艺可在一定范围内变化等特点，在航空航天部门中一直很受青睐。近几年，航空航天技术迅速发展，飞机上用的传统结构材料，如铝、钛、钢、镁等合金已经满足不了新性能的要求。用一件最轻的“外衣”披在飞机身上，逐渐成为世界上制造飞机的一大趋势。对轻质“外衣”要求是：不但能有效克服自身重量与安全的矛盾，在交变载荷作用下不产生疲劳裂纹，而且能够较大幅度降低飞机能量消耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种密度低、抗拉强度和屈服强度高的碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，该复合材料密度低于2.2g/cm3，抗拉强度达到605MPa，屈服强度达到452MPa。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种碳纤维增强铝基复合材料，所述的复合材料的成分为：按重量百分比:碳纤维 4～6% 、Li 1.0～1.3%、Nd 0.7～0.9%，余量为Al，该复合材料密度低于2.2g/cm3，抗拉强度可达到605MPa，屈服强度可达到452MPa。
    所述的碳纤维为沥青基碳纤维、碳纳米管类或聚丙烯腈类，碳纤维的长度为105nm～4.5mm。
    上述的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
1）、将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2）、将步骤1）经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3）、按步骤1）碳纤维预制体总重量的15.67～24倍取混合金属粉，混合金属粉由1.04～1.38%的锂粉、0.73～0.96%的钕粉和97.66～98.23%的铝粉组成，将混合金属粉末加入容器中，加热至1050℃，使金属粉末全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4）、用步骤4）得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s,关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2）抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5）、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。
所述步骤1）的Al2O3涂层中Al2O3的重量为碳纤维总重量的4%。
有益效果
（1）、本发明的碳纤维增强铝基复合材料：a、抗拉强度测试：将符合材料制成的Φ20mm试样，经过WE-1000A 型液压式万能材料试验机测试，加荷速率在26 MPa /s，测出该材料的抗拉强度达到605 Mpa；b、屈服强度测试：将复合材料制成的长方体试样，经过CMT5504 微机控制电子万能试验机，在试样平行长度的应变速率为0.001/s下，测出该材料的屈服强度达到452 Mpa。
（2）、本发明的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺简单可行，生产成本较低，对设备要求也较低低，易于工业化连续高效生产。
具体实施方式
一种碳纤维增强铝基复合材料，所述的复合材料的成分为：按重量百分比:碳纤维 4～6% 、Li 1.0～1.3%、Nd 0.7～0.9%，余量为铝，该复合材料密度低于2.2g/cm3，抗拉强度达到605MPa，屈服强度达到452MPa。
    所述的碳纤维为沥青基碳纤维、碳纳米管类或聚丙烯腈类，碳纤维的长度为105nm～4.5mm。
    上述碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
1）、将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2）、将步骤1）经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3）、按步骤1）碳纤维预制体总重量的15.67～24倍取混合金属粉，混合金属粉由1.04～1.38%的锂粉、0.73～0.96%的钕粉和97.66～98.23%的铝粉组成，将混合金属粉末加入容器中，加热至1050℃，使金属粉末全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4）、用步骤4）得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s,关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2）抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5）、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。
所述步骤1）的Al2O3涂层中Al2O3的重量为碳纤维总重量的4%。
在制备合金过程中要把握以下主要问题：1 要优选原材料，碳纤维应从下列原料中选取：自由沥青类、碳纳米管类或PAN类，而且碳纤维的长度应该在105nm～4.5mm之间，2合金粉加热温度不能低于1050℃，并且保温30min，搅拌均匀，保证三种金属全处于液态，但不能高于1100℃，以避免锂沸腾蒸发；3碳纤维在成形模具中尽可能均匀平铺，以便在成品中均匀分散在复合材料中，使复合材料充分强化。
本发明中碳纤维增强铝-锂-钕合金材料的抗拉强度和屈服强度机理为：1 碳纤维在外力作用下从铝基合金中贝拉出时，碳纤维与铝基合金相互摩擦而消耗掉一些能量，从而增大了抗拉强度，抗拉强度增大的效果和碳纤维与铝基合金界面滑动阻力有关；2当铝基合金断裂时，碳纤维可承受外力并连接了断开的裂纹，碳纤维并对铝基合金产生力促使裂纹闭合，从而消耗外界载荷，相应的提高材料的屈服强度。
稀土元素钕：在元素周期表中属过渡元素，原子量为144.24，熔点1016℃。银色稀土金属，硬而坚韧。在铝基合金中作为变质剂，能够起到净化、细化铝合金晶粒和变质作用。
锂：密度最小的碱金属元素，原子量为6.941，熔点180.54℃，有助于减小复合材料密度。与铝形成AlLi5、Al2Li3等几种弥散性强化相，提高合金抗拉强度。
以下是本发明的具体实施例：
实施例1
1）、取碳纤维10Kg，将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2）、将步骤1）经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3）、取铝粉186.6 Kg、锂粉2 Kg和钕粉1.4 Kg，将三种金属粉末加入容器中，加热至1050℃，使金属全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4）、用步骤4）得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s,关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2）抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5）、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。
对制得的复合材料进行测试：
a、抗拉强度测试：将符合材料制成的Φ20mm试样，经过WE-1000A 型液压式万能材料试验机测试，加荷速率在26 MPa /s，测出该材料的抗拉强度达到598 Mpa；
b、屈服强度测试：将复合材料制成的长方体试样，经过CMT5504 微机控制电子万能试验机，在试样平行长度的应变速率为0.001/s下，测出该材料的屈服强度达到450Mpa。
实施例2
1）、取碳纤维20Kg，将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2）、将步骤1）经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3）、取铝粉307.3Kg、锂粉4.3Kg和钕粉2.4Kg，将三种金属粉末加入容器中，加热至1050℃，使金属全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4）、用步骤4）得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s,关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2）抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5）、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。
实施例3
1）、取碳纤维50Kg，将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2）、将步骤1）经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3）、取铝粉1175.4Kg、锂粉14.4Kg和钕粉10.2Kg，将三种金属粉末加入容器中，加热至1050℃，使金属全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4）、用步骤4）得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s,关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2）抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5）、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。

Claims (4)

1.一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于：所述的复合材料的成分为：按重量百分比:碳纤维 4～6% 、Li 1.0～1.3%、Nd 0.7～0.9%，余量为Al，该复合材料密度低于2.2g/cm3，抗拉强度可达到605MPa，屈服强度可达到452MPa。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于：所述的碳纤维为沥青基碳纤维、碳纳米管类或聚丙烯腈类，碳纤维的长度为105nm～4.5mm。
3.如权利要求1所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1）、将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2）、将步骤1）经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3）、按步骤1）碳纤维预制体总重量的15.67～24倍取混合金属粉，混合金属粉由1.04～1.38%的锂粉、0.73～0.96%的钕粉和97.66～98.23%的铝粉组成，将混合金属粉末加入容器中，加热至1050℃，使金属粉末全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4）、用步骤4）得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s，关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2）抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5）、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。
4.如权利要求3所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤1）的Al2O3涂层中Al2O3的重量为碳纤维总重量的4%。
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