CN104264083A - 一种碳纤维增强铝锂合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强铝锂合金复合材料及其制备方法。该复合材料是由经过预先处理的碳纤维与铝锂合金粉末混合烧结而成，碳纤维体积分数含量1～10%。本发明的制备方法主要包括碳纤维的灼烧、粗化、中和处理、球磨混料以及真空热压烧结。通过调控碳纤维的体积分数，能降低铝锂合金的密度，提升铝锂合金的强度、韧性并改善其各向异性。本发明特别适用于要求材料具有轻质、较高强度综合性能良好的航空航天飞行器零部件。

Description

一种碳纤维增强铝锂合金复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及到金属基复合材料的制备领域，具体来说是一种碳纤维增强铝锂合金复合材料及其制备方法。

背景技术

    锂是自然界中最轻的金属元素，密度仅为0.534g/cm³，镁的密度1.732g/cm³，在铝中每加入1％(质量分数)的锂可使合金密度降低3％，弹性模量增加约6％。

据推算，与采用传统铝合金制造的波音飞机相比，若采用先进铝锂合金用于制造将降低14.6％的机身重量，节约5.4％的燃料消耗，降低2.1％的制造成本，每架飞机每年将降低2.2％的飞行费用；战斗机也是铝锂合金率先展开应用的重要领域，若能减轻15％的机身重量，将会减少15％的飞机滑跑距离，延长20％的有效航程，同时增加30％的有效载荷。世界著名航空器制造者空中客车公司已采用大量A1-Li合金用于制造A380和A350，作为地板梁、机身蒙皮和下翼面桁条应用。

研究发现A1-Li二元合金存在韧性较低、各向异性严重、短横向强度较低、塑韧性水平较差、热暴露后会严重损失韧性等问题，限制了铝锂合金在飞行器领域的应用。

鉴于A1-Li二元合金的综合性能较差，通常需要在二元合金基础上单独或者复合添加Mg、Cu、Zr、Zn、Mn、Ag等合金元素，从而形成多种强化相，并改变强化相的数量和分布，达到改善其性能的目的，除文献报到外，还有一些专利申请公开了改善铝锂合金性能的技术方法。

经过技术检索发现中国专利申请：“公开号CN103687971A，申请日2012年5月16日，专利名称“具有改善的断裂韧性的铝镁锂合金”，公开了 “通过熔盐法制备了含多种微量合金元素的铝锂合金，并通过后续的热加工技术改善了铝锂合金的韧性。

中国专利申请：“公开号CN103509984A，申请日2013年9月28日，专利名称“一种超高强铝锂合金及其制备方法”，公开了 “用Mg、Ag、Zn微量元素共同复合微合金化强化，按合金成分配料，将原料熔化，经炉内精炼、静置后，浇铸成所需规格的合金铸锭，制造板材抗拉强度可达580MPa以上，同时延伸率高于7%，可用于航空航天、核工业、交通运输、兵器等领域的结构元件”。

中国专利申请：“公开号 CN103255322A，申请日2013年6月2日，专利名称 “高韧性超薄压铸铝锂合金”公开了 “通过控制合金中锌、铜、锰、锂、锶、镧及铈的含量制备具有疲劳抗力、裂纹扩展力、耐蚀性和耐热性均更好的铝锂合金”。

中国专利申请：“公开号CN102304653A，申请日2011年9月9日，专利名称“一种高塑性双相含钇的镁铝锂合金及其制备方法”，公开了“一种高塑性双相含钇的镁铝锂合金及其制备方法，该合金具体组分及其按质量百分比及含量如下：Li 9.50～10.80%, Al 3.00～5.00%, Y 0.50～0.70%, Zr 0.10～0.30%, 余量为Mg”。

中国专利申请：“公开号CN10201457A，申请日2010年10月27日，专利名称“一种高强韧铝锂合金及其制备方法”公开了“一种新型高强韧铝锂合金材料的显微组织均匀、性能稳定，适用于制造厚板及挤压材”。

从上述专利申请内容可以看出，通过在铝锂合金中添加微量合金元素并结合热处理、热加工技术可以显著提高铝锂合金的韧性、强度等性能。

碳纤维是一种耐热性、耐蚀性良好且密度较低，比强度较高的功能型纤维材料。碳纤维增强金属基复合材料不仅具有较低的密度、良好的强度和耐磨性，而且具有优良的导电、导热性、抗疲劳性、电磁屏蔽性等特点，因而其广泛应用在汽车、轨道交通、航空航天等领域。

发明内容

本发明的目的就是通过粉末冶金的方法烧结制备短碳纤维来增强铝锂合金，以改善铝锂合金的韧性及各向异性，提高铝锂合金的强度，拓展铝锂合金的应用空间。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种碳纤维增强铝锂合金复合材料，由铝锂合金粉及其体积分数为1～10%的经预先处理的碳纤维制成，其中，按照重量比，铝锂合金粉的组成成分为1～3%的Li、0.1～3.5% 的Mg、2～3%的Cu、0.1～0.5%的Mn、0.05～0.2%的Zr、0.3-1%的Zn和Al及不可避免的杂质；

所述经预先处理的碳纤维是指：将选取直径10微米的碳纤维剪成2-3mm的短碳纤维，然后依次进行灼烧、粗化和中和处理后得到。

所述碳纤维的预先处理的具体工艺为：先将短碳纤维在400℃～450℃的温度下灼烧10～60min，而后再将其冷却至常温后置于质量浓度为25%的稀硝酸溶液中煮沸5-15min，过滤出的短碳纤维用蒸馏水冲洗后置于质量浓度为15%的氢氧化钠溶液中2-10min，再次过滤出短碳纤维用蒸馏水反复浸泡和冲洗后即完成碳纤维的处理。

上述碳纤维增强铝锂合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）碳纤维的预先处理

选取直径10μm的碳纤维剪成2-3mm的短碳纤维，然后将短碳纤维在400℃～450℃的温度下灼烧10～60min，待其冷却至常温后置于质量浓度为25%的稀硝酸溶液中煮沸5-15min，过滤出的短碳纤维用蒸馏水冲洗后再置于质量浓度为15%的氢氧化钠溶液中2-10min，再次过滤出短碳纤维用蒸馏水反复浸泡和冲洗后即完成碳纤维的处理；

2）混料

将步骤1）得到的经过预先处理的短碳纤维按照体积分数1-10%的比例加入到铝锂合金粉末中，然后采用行星式球磨机混料直至观察不到团聚为止，得到原料粉备用；

其中，所述铝锂合金粉的组成成分为1～3%的Li、0.1～3.5% 的Mg、2～3%的Cu、0.1～0.5%的Mn、0.05～0.2%的Zr、0.3-1%的Zn，其余为Al及不可避免的杂质；

3）烧制合金

将步骤2）中得到的原料粉在真空度为0.001-0.005Pa、压强为30-100MPa的条件下烧结，烧结时，以每分钟30-80℃的升温速率将温度升至530-600℃并保持该温度5-30min完成烧结，烧结完成后自然冷却至室温即得到产品。

有益效果：本发明通过对碳纤维进行一系列的预处理，从而去除了碳纤维表面的有机保护层，并使其表面积和粗糙度均大大增加，进而使得碳纤维被用来增强铝锂合金时，能有效降低合金的密度，改善合金的韧性及各向异性，提高铝锂合金的强度，从而拓展了铝锂合金的应用空间。经检测，本发明的产品综合性能良好：密度在2.45～2.65g/cm³，抗拉强度在490～560MPa之间，硬度在80～105HV之间，在飞行器某些部件上具有良好的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

本实施例中所用铝锂合金粉末的组成成分及重量百分比为：1%的Li、3.5% 的Mg、2%的Cu、0.1%的Mn、0.05%的Zr、0.3%的Zn，其余为Al及不可避免的杂质。

具体制备方法如下：

（1）选取直径10μm的碳纤维剪成2-3mm的短碳纤维，然后将短碳纤维在400℃的温度下灼烧60min，待其冷却至常温后置于质量浓度为25%的稀硝酸溶液中煮沸5min，过滤出的短碳纤维用蒸馏水冲洗后再置于质量浓度为15%的氢氧化钠溶液中2min，再次过滤出短碳纤维用蒸馏水反复浸泡和冲洗后即完成碳纤维的处理；

（2）将步骤（1）得到的经过预先处理的短碳纤维按照体积分数1%的比例加入到铝锂合金粉末中，然后采用行星式球磨机混料直至观察不到团聚为止，得到原料粉备用；

（3）将步骤（2）中得到的原料粉装入模具中，将装好合金粉末的模具放入烧结炉中，在真空度为0.001Pa、压强为30MPa的条件下烧结，烧结时，以每分钟30℃的升温速率将温度升至530℃并保持该温度30min完成烧结，烧结完成后自然冷却至室温即得到产品。 

本实施例制备的碳纤维增强铝锂合金粉末性能参数为：密度为2.63g/cm³，时效处理后抗拉强度达到508MPa，硬度为89HV。

实施例2

本实施例中所用铝锂合金粉末的组成成分及重量百分比为：3%的Li、0.1% 的Mg、2%的Cu、0.5%的Mn、0.2%的Zr、1%的Zn，其余为Al及不可避免的杂质。

具体制备方法如下：

（1）选取直径10μm的碳纤维剪成2-3mm的短碳纤维，然后将短碳纤维在450℃的温度下灼烧10min，待其冷却至常温后置于质量浓度为25%的稀硝酸溶液中煮沸15min，过滤出的短碳纤维用蒸馏水冲洗后再置于质量浓度为15%的氢氧化钠溶液中10min，再次过滤出短碳纤维用蒸馏水反复浸泡和冲洗后即完成碳纤维的处理；

（2）将步骤（1）得到的经过预先处理的短碳纤维按照体积分数10%的比例加入到铝锂合金粉末中，然后采用行星式球磨机混料直至观察不到团聚为止，得到原料粉备用；

（3）将步骤（2）中得到的原料粉装入模具中，将装好合金粉末的模具放入烧结炉中，当真空炉内真空达到0.005Pa时，对样品施压100MPa的压力，通电以每分钟80℃的升温速率升温至600℃，保温5分钟后降温，当温度降至室温取出样品。 

本实施例制备的碳纤维增强铝锂合金粉末性能参数为：密度为2.46g/cm³，时效处理后抗拉强度达到551MPa，硬度为102HV。

实施例3

本实施例中所用铝锂合金粉末的组成成分及重量百分比为：2%的Li、1.8% 的Mg、2.5%的Cu、0.3%的Mn、0.1%的Zr、0.65%的Zn，其余为Al及不可避免的杂质。

具体制备方法如下：

（1）选取直径10μm的碳纤维剪成2-3mm的短碳纤维，然后将短碳纤维在425℃的温度下灼烧35min，待其冷却至常温后置于质量浓度为25%的稀硝酸溶液中煮沸10min，过滤出的短碳纤维用蒸馏水冲洗后再置于质量浓度为15%的氢氧化钠溶液中6min，再次过滤出短碳纤维用蒸馏水反复浸泡和冲洗后即完成碳纤维的处理；

（2）将步骤（1）得到的经过预先处理的短碳纤维按照体积分数5.5%的比例加入到铝锂合金粉末中，然后采用行星式球磨机混料直至观察不到团聚为止，得到原料粉备用；

（3）将步骤（2）中混合好的粉末装入模具中，将装好合金粉末的模具放入烧结炉中，当真空炉内真空达到0.003Pa时，对样品施压65MPa的压力，通电以每分钟55℃的升温速率升温至570℃，保温17分钟后降温，当温度降至室温取出样品。 

本实施例制备的碳纤维增强铝锂合金粉末性能参数为：密度为2.56g/cm³，时效处理后抗拉强度达到565MPa，硬度为97HV。

Claims (3)

1.一种碳纤维增强铝锂合金复合材料，其特征在于：由铝锂合金粉及其体积分数为1～10%的经预先处理的碳纤维制成，其中，按照重量比，铝锂合金粉的组成成分为1～3%的Li、0.1～3.5% 的Mg、2～3%的Cu、0.1～0.5%的Mn、0.05～0.2%的Zr、0.3-1%的Zn和Al及不可避免的杂质；

所述经预先处理的碳纤维是指：将选取直径10μm的碳纤维剪成2-3mm的短碳纤维，然后依次进行灼烧、粗化和中和处理后得到。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强铝锂合金复合材料，其特征在于：所述碳纤维的预先处理的具体工艺为：先将短碳纤维在400℃～450℃的温度下灼烧10～60min，而后再将其冷却至常温后置于质量浓度为25%的稀硝酸溶液中煮沸5-15min，过滤出的短碳纤维用蒸馏水冲洗后置于质量浓度为15%的氢氧化钠溶液中2-10min，再次过滤出短碳纤维用蒸馏水反复浸泡和冲洗后即完成碳纤维的处理。

3.根据权利要求2所述的碳纤维增强铝锂合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）碳纤维的预先处理

选取直径10μm的碳纤维剪成2-3mm的短碳纤维，然后将短碳纤维在400℃～450℃的温度下灼烧10～60min，待其冷却至常温后置于质量浓度为25%的稀硝酸溶液中煮沸5-15min，过滤出的短碳纤维用蒸馏水冲洗后再置于质量浓度为15%的氢氧化钠溶液中2-10min，再次过滤出短碳纤维用蒸馏水反复浸泡和冲洗后即完成碳纤维的处理；

2）混料

将步骤1）得到的经过预先处理的短碳纤维按照体积分数1-10%的比例加入到铝锂合金粉末中，然后采用行星式球磨机混料直至观察不到团聚为止，得到原料粉备用；

其中，所述铝锂合金粉的组成成分为1～3%的Li、0.1～3.5% 的Mg、2～3%的Cu、0.1～0.5%的Mn、0.05～0.2%的Zr、0.3-1%的Zn，其余为Al及不可避免的杂质；

3）烧制合金

将步骤2）中得到的原料粉在真空度为0.001-0.005Pa、压强为30-100MPa的条件下烧结，烧结时，以每分钟30-80℃的升温速率将温度升至530-600℃并保持该温度5-30min完成烧结，烧结完成后自然冷却至室温即得到产品。