CN104228193B - 一种长纤维复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长纤维复合材料的制备方法，首先，将金属长纤维丝材和非金属长纤维丝材进行紧密编织，构织成编织体，并要求金属长纤维丝材构成编织体的金属纤维基体，而非金属长纤维丝材编织在金属纤维基体的表面；然后再使金属长纤维丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的基体为金属长纤维、表面为非金属长纤维的织构复合材料。由于复合材料是纤维编织获得，金属长纤维丝材和非金属长纤维丝材没有明确的分界面，相互约束，互相制约，相互包含，结合牢固可靠。本发明方法工艺步骤简单，操作方便，实施容易，生产成本较低，适合于大批量工业生产，应用范围广，市场前景好。

Description

一种长纤维复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备的技术领域，尤其是指一种长纤维复合材料的制备方法。

背景技术

申请号为201410225398.9中国发明专利(申请公布号：CN104002101A、申请公布日：2014.08.27)公开了一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，首先将金属长纤维丝材进行紧密编织形成编织体，然后通过塑性加工消除编织体内的空隙，并使丝材之间实现冶金结合，最终制造获得所需的具有长纤维织构组织的致密金属材料，即无孔隙金属材料，制造的具有长纤维织构组织金属材料，纤维织构是连续的，具有丝材高的抗拉强度和高的疲劳强度性能，同时具有常规体积材料的刚度，可以像普通金属材料一样加工成机械零件使用。申请号为201410274144.6中国发明专利(申请公布号：CN104099539A、申请公布日：2014.10.15)公开了一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，首先将金属长纤维丝材进行编织形成编织体，编织体外形最小特征尺寸大于金属长纤维丝材横截面最大几何特征尺寸的5倍，且当金属长纤维丝材横截面为圆形时，编织体外形最小特征尺寸大于5倍丝径；其次，对编织体进行冶金结合工艺，使丝材之间接触的地方实现冶金结合，而丝材之间没有接触的地方则构成了孔隙，且孔隙沿丝材轨迹方向分布；最终制造获得所需的长纤维多孔隙金属材料。制造的长纤维多孔隙金属材料，孔隙沿纤维编织方向分布，气体透过阻力小，透气快，采用钢丝作为金属长纤维丝材，可制造获得透气模具钢。但当材料需要同时满足耐磨、减摩、防腐蚀使用性能时，由于上述两个专利方法采用的原材料都是金属纤维，其制备的材料则受到一定程度的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种操作简便、有效、可靠的长纤维复合材料的制备方法，可制造获得所需的基体为金属长纤维、表面为非金属长纤维的织构复合材料。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种长纤维复合材料的制备方法，将至少两种不同的长纤维丝材进行紧密编织，构织成编织体，其中，当该两种不同的长纤维丝材均为金属长纤维丝材时，要求其中一种金属长纤维丝材构成编织体的金属纤维基体，而另一种金属长纤维丝材编织在金属纤维基体的表面，然后再使金属长纤维丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的织构复合材料；当该两种不同的长纤维丝材分别为金属长纤维丝材和非金属长纤维丝材时，要求金属长纤维丝材构成编织体的金属纤维基体，而非金属长纤维丝材编织在金属纤维基体的表面，然后再使金属长纤维丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的基体为金属长纤维、表面为非金属长纤维的织构复合材料。

当该两种不同的长纤维丝材分别为金属长纤维丝材和非金属长纤维丝材时，金属长纤维丝材之间的冶金结合可通过对编织体进行加热烧结实现，而烧结温度需在金属长纤维丝材的烧结温度范围内，并低于非金属长纤维丝材的烧结温度，从而保证在烧结编织体时非金属长纤维丝材不会被烧结。

通过塑性压力加工压缩所述编织体，使金属纤维基体致密化。

所述塑性压力加工对于室温条件下易于塑性变形的金属进行冷塑性压力加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性压力加工。

通过对金属纤维基体表面的非金属长纤维丝材浸渗热固化流体材料或冷固化流体材料，固化后使非金属长纤维丝材固为一整体。

将热固化流体材料或冷固化流体材料浸渗非金属长纤维丝材时，可对热固化流体材料或冷固化流体材料施加超声波，提高浸渗效率。

所述非金属长纤维丝材有陶瓷纤维、碳纤维或石英纤维。

所述编织体为棒、管、型材、板状或块状。

所述复合材料为棒材、管材、型材、板材或块体材料。

所述塑性压力加工有锻压、挤压、拉拔、或轧制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、由于复合材料是纤维编织获得，金属长纤维丝材和非金属长纤维丝材没有明确的分界面，相互约束，互相制约，相互包含，结合牢固可靠；

2、复合材料基体是金属具有良好的结构力学性能、抗冲击，而表面为非金属材料耐腐蚀、耐磨损；

3、制造的具有长纤维织构组织复合材料，纤维织构是连续的，具有丝材高的抗拉强度和高的疲劳强度性能；

4、非金属长纤维丝材为陶瓷纤维时，陶瓷纤维具有很好的柔韧性，避免了陶瓷材料的脆性，保持陶瓷以纤维的形式存在于复合材料表面，复合材料表面具有高的显微硬度，同时具有很好的柔韧性；

5、可以将热物理性能差异较大的材料很方便地复合到一起；

6、可以灵活方便地设计制造出新型复合材料；

7、本发明方法工艺步骤简单，操作方便，实施容易，生产成本较低，适合于大批量工业生产，应用范围广，市场前景好。

具体实施方式

下面结合多个具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述的长纤维复合材料的制备方法，其情况为：将至少两种不同的长纤维丝材进行紧密编织，构织成编织体(可以编织为棒、管、型材、板状或块状)，其中，当该两种不同的长纤维丝材均为金属长纤维丝材时，要求其中一种金属长纤维丝材构成编织体的金属纤维基体，而另一种金属长纤维丝材编织在金属纤维基体的表面，然后再使金属长纤维丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的织构复合材料(可以为棒材、管材、型材、板材或块体材料)；当该两种不同的长纤维丝材分别为金属长纤维丝材和非金属长纤维丝材时，要求金属长纤维丝材构成编织体的金属纤维基体，而非金属长纤维丝材编织在金属纤维基体的表面，然后再使金属长纤维丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的基体为金属长纤维、表面为非金属长纤维的织构复合材料(可以为棒材、管材、型材、板材或块体材料)，所述金属长纤维丝材之间的冶金结合可通过对编织体进行加热烧结实现，而烧结温度需在金属长纤维丝材的烧结温度范围内，并低于非金属长纤维丝材的烧结温度，从而保证在烧结编织体时非金属长纤维丝材不会被烧结。此外，可通过塑性压力加工(有锻压、挤压、拉拔或轧制等)压缩所述编织体，使金属纤维基体致密化。所述塑性压力加工对于室温条件下易于塑性变形的金属进行冷塑性压力加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性压力加工。

而在本实施例中，是采用直径35微米的45钢丝材100根作为一束，丝径为30微米的碳化硅纤维长丝50根作为一束，通过三维编织机将多束丝材编织成直径200毫米的圆棒，使45钢长纤维丝材构成编织体的内部，碳化硅长纤维丝材编织在编织体的表面；然后加热达到1100摄氏度，保温烧结2小时，使45钢丝材之间冶金结合，制造获得表层牢固包覆着碳化硅纤维长丝、内部为45钢的棒材料。

实施例2

与实施例1不同的是本实施例的金属丝材为20钢丝。

实施例3

与实施例1不同的是本实施例的金属丝材为铝青铜，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到880摄氏度保温两小时。

实施例4

与实施例1不同的是本实施例的非金属丝材为石英丝。

实施例5

与实施例1不同的是本实施例的非金属丝材为碳纤维。

实施例6

与实施例1不同的是本实施例的通过三维编织机将多束丝材编织成内径为200毫米、外径为300毫米的圆管，碳化硅长纤维丝材编织在圆管的内表面。

实施例7

与实施例1不同的是本实施例通过三维编织机将多束丝材编织成块体，碳化硅长纤维丝材编织在块体的外表面。

实施例8

与实施例1不同的是本实施例的通过三维编织机将多束丝材编织成厚度为20毫米板，碳化硅长纤维丝材编织在板的外表面。

实施例9

与实施例1不同的是本实施例的通过三维编织机将多束丝材编织成工字型材，碳化硅长纤维丝材编织在工字型材的外表面。

实施例10

本实施例将实施例1中制造获得的棒材置于直径为200毫米的模具中，轴向挤压棒材，使材料内部的空隙减少。

实施例11

本实施例将实施例7中制造获得的块体材料放在锻压机工作台上进行压制，使材料内部的空隙减少。

实施例12

本实施例将实施例8中制造获得的板材进行轧制，使材料内部的空隙减少。

实施例13

与实施例10不同的是本实施例在真空热压炉中进行挤压，工作温度为1000摄氏度。

实施例14

将实施例10、11、12、13制造获得表层牢固覆盖非金属纤维长丝、基体为金属的材料置于真空浸渗容器中，抽真空之后，加入热固化高分子流体材料N-200型树脂液体，浸渗进入材料表面非金属纤维长丝之间的间隙中，并对所述浸渗流体施加超声波，提高浸渗效率。完成浸渗后取出材料，去除多余的N-200型树脂液体材料，加热至90℃，并保温45分钟，使浸渗进入非金属纤维长丝之间N-200型树脂液体固化，制造获得表面致密覆盖着非金属、内部为金属的复合材料。

实施例15

与实施例14不同的是本实施例在热固化高分子材料固化时施加压力，使材料在压力条件下固化。

实施例16

与实施例14不同的是本实施例浸渗流体为铝合金液体。

实施例17

本实施例采用直径35微米的45钢丝材100根作为一束，丝径为30微米的316不锈钢纤维长丝50根作为一束，通过三维编织机将多束丝材编织成直径50毫米的圆绳，使45钢长纤维丝材构成编织体的内部，316不锈钢长纤维丝材编织在编织体的表面；然后将50毫米圆绳从出口直径为30毫米的拉拔模具中拉过，使绳索的外径减小；再将材料加热达到1200摄氏度，保温烧结2小时，使丝材之间冶金结合，制造获得表层为316不锈钢、内部为45钢的棒材料。

以上所述实施例子只为本发明较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：将至少两种不同的长纤维丝材进行紧密编织，构织成编织体，其中，当该两种不同的长纤维丝材均为金属长纤维丝材时，要求其中一种金属长纤维丝材构成编织体的金属纤维基体，而另一种金属长纤维丝材编织在金属纤维基体的表面，然后再使金属长纤维丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的织构复合材料；当该两种不同的长纤维丝材分别为金属长纤维丝材和非金属长纤维丝材时，要求金属长纤维丝材构成编织体的金属纤维基体，而非金属长纤维丝材编织在金属纤维基体的表面，然后再使金属长纤维丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的基体为金属长纤维、表面为非金属长纤维的织构复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：当该两种不同的长纤维丝材分别为金属长纤维丝材和非金属长纤维丝材时，金属长纤维丝材之间的冶金结合可通过对编织体进行加热烧结实现，而烧结温度需在金属长纤维丝材的烧结温度范围内，并低于非金属长纤维丝材的烧结温度，从而保证在烧结编织体时非金属长纤维丝材不会被烧结。

3.根据权利要求1所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：通过塑性压力加工压缩所述编织体，使金属纤维基体致密化。

4.根据权利要求3所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述塑性压力加工对于室温条件下易于塑性变形的金属进行冷塑性压力加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性压力加工。

5.根据权利要求1所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：通过对金属纤维基体表面的非金属长纤维丝材浸渗热固化流体材料或冷固化流体材料，固化后使非金属长纤维丝材固为一整体。

6.根据权利要求5所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：将热固化流体材料或冷固化流体材料浸渗非金属长纤维丝材时，可对热固化流体材料或冷固化流体材料施加超声波，提高浸渗效率。

7.根据权利要求1所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述非金属长纤维丝材有陶瓷纤维、碳纤维或石英纤维。

8.根据权利要求1所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述编织体为棒、管、型材、板状或块状。

9.根据权利要求1所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述复合材料为棒材、管材、型材、板材或块体材料。

10.根据权利要求3或4所述的一种长纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述塑性压力加工有锻压、挤压、拉拔、或轧制。