CN104313516B - 汽车车门用稀土添加碳纤维铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

汽车车门用稀土添加碳纤维铝基复合材料及其制备方法。采用了粉末冶金法，依次包括备料步骤，碳纤维的预处理步骤，混料步骤，粉末预压步骤，除气以及粉末致密化步骤。所述的备料步骤，将原料按照如下重量百分比备料设计：稀土：4-6％；碳纤维8-10％；Cu：0.2-0.4％；Mg：2-2.5％Zn：0.01-0.05％；Si：0.3％-0.5％；余量为Al。本发明采用粉末冶金的方法制备出力学性能更为优良，耐磨性、耐腐蚀性更好的复合材料。用这种复合材料制得的汽车车门，表面亮度和平整度大大提高。且这种复合材料的原材料成本较低，制得的产品比传统的金属质车门的重量降低40-60％，强度提高了2-3倍，从而减轻汽车总体的重量，起到节能减排的作用，提高了汽车车门的综合使用性能。

Description

汽车车门用稀土添加碳纤维铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种稀土添加碳纤维铝基复合材料及其制备方法，具体涉及一种汽车车门用稀土添加碳纤维铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科技的发展，在汽车领域中人们对汽车车门的综合使用性能以及车门表面光洁度的要求也越来越高。汽车车门的综合使用性能以及表面质量主要取决于所用的材料，现有的汽车车门大多采用金属材料制成，金属的强度高、性能好，但金属的密度大，因而制得的车门也比较笨重，现在也有碳纤维树脂基复合材料制得的汽车车门，但却面临成型困难的问题。

经对现有技术检索，尚无公开过采用稀土用来改性碳纤维铝基复合材料这方面的在先文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，制备出一种新型碳纤维铝基复合材料，将少量的稀土添加到碳纤维铝基复合材料，并用于制造汽车车门，用这种材料制得的汽车车门强度高，质量轻，耐磨损、耐腐蚀性能好，表面光洁平整。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：

一种稀土添加碳纤维铝基复合材料的制备方法，采用了粉末冶金法，其特征在于，依次包括备料步骤，碳纤维的预处理步骤，混料步骤，粉末预压步骤，除气以及粉末致密化步骤；

所述的备料步骤，将原料按照如下重量百分比备料设计：

稀土：4-6％；

碳纤维8-10％；

Cu：0.2-0.4％；

Mg：2-2.5％；

Zn：0.01-0.05％；

Si：0.3％-0.5％；

余量为Al；

其中，稀土为氧化钇(Y₂O₃)或铯(Cs)；

所述的碳纤维的预处理步骤，依次又包括对碳纤维进行镀前处理和镀Cu处理两个步骤，

所述镀前处理步骤再依次包括除胶处理、粗化处理和亲水性处理三个步骤，具体依次为：

(1)除胶处理：通过高温灼烧的方法实现的，烧灼工艺是烧灼温度为380℃，在此温度下持续烧灼30min；

(2)粗化工艺：用浓硝酸进行粗化；

(3)亲水性处理：用NaOH对碳纤维进行亲水性处理，并用去离子水反复清洗，直至洗液呈中性为止。这可以增强碳纤维的表面粗糙度，使碳纤维表面呈现沟槽状，为后续步骤中Cu的沉积提供便利；

镀Cu处理的方法很多，常用的有化学镀Cu、电镀Cu和气相沉积镀Cu，皆为成熟方法。

所述的混料步骤，本发明采用的是磁力搅拌的方法，较普通球磨，磁力搅拌能使配料混合的更均匀，且不损坏配料原有的组织成分。

所述的粉末预压步骤，一般要求预压坯密度为复合材料密度的70％-80％，以利于脱气阶段气体的逸出。

所述的除气以及粉末致密化步骤：除气处理时除气温度一般应等于或者稍高于随后的热压、热加工变形和热处理温度，以避免压块中残存的水和气体造成材料中产生气泡和分层。

本发明稀土添加碳纤维铝基复合材料，通过上述制备方法获得。

本发明汽车车门用稀土添加碳纤维铝基复合材料，所述的汽车车门主要在外门板，内门板，内护板等部位使用此材料。

本发明制备的稀土添加碳纤维铝基复合材料原理简单，采用通过往碳纤维铝基复合材料中添加适量的微量稀土元素，该设计方案可避免并克服碳纤维和铝复合时成型困难的问题，因为稀土的添加可以提高碳纤维和铝两者之间的结合性，从而使制备的复合材料容易成型。

基于该备料方案本发明采用粉末冶金的方法制备出力学性能更为优良，耐磨性、耐腐蚀性更好的复合材料。用这种复合材料制得的汽车车门，表面亮度和平整度大大提高。且这种复合材料的原材料成本较低，制得的产品比传统的金属质车门的重量降低40-60％，强度提高了2-3倍，从而减轻汽车总体的重量，起到节能减排的作用，提高了汽车车门的综合使用性能。

强度的提高，重量的减轻以及表面亮度和平整度的提高主要是与材料有关，使用的稀土添加碳纤维铝基复合材料，基体碳纤维铝基复合材料本身就有重量轻、强度高的优势，稀土的添加可以使强度更高，且稀土可以提高碳纤维和铝的结合性，更容易成型出零部件；且稀土的添加可以改变复合材料的表面结构，因而可以增强表面亮度和平整度。

而本发明中的稀土添加碳纤维铝基复合材料具有高强度、高模量、低密度、良好的耐磨性等很多优点，较未添加稀土的碳纤维铝基复合材料，稀土的加入不仅可以提高复合材料的耐腐蚀性能，还可以提高材料的加工性能，更容易成型出结构复杂的零部件。此外，稀土可以使复合材料的表面结构发生变化，使复合材料表面变得更加光亮、美观。稀土元素在碳纤维铝基熔体中可形成细小的稀土复合化合物粒子，能促进复合体的非均匀形核，并使组织中复合物颗粒的尺寸减小、数量增加；与此同时，添加稀土元素有效地改善了组织中碳纤维的分布，有利于材料性能的改善。

较传统金属材料，本发明一方面大大降低了汽车车门重量，起到了节能减排的作用；另一方面增强了车门的强度和刚度，使车门的综合性能更优良。因此稀土添加碳纤维铝基复合材料非常适合制造汽车车门结构件。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明技术方案做进一步说明。

实施例1

本实施例的稀土添加碳纤维铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)备料步骤：将原料按照如下重量百分比备料设计：

稀土(Y₂O₃)：4％

(来自于市售，产品制造商：赣州金成源稀土，物理特征：白色粉末状，CAS号是1314-36-9，稀土含量≥99％，纯度为99％-99.9999％。)

碳纤维：9.6％

Cu：0.32％

Mg：2.05％

Zn：0.02％

Si：0.36％

余量为Al

(2)碳纤维的预处理：把从市场上买回来的T700S碳纤维在380℃的温度下灼烧30min进行除胶处理，将除胶后的碳纤维放入72％的浓硝酸中进行粗化处理，随后用3.5％NaOH进行亲水性处理并用去离子水反复清洗，直至洗至中性为止。

(3)碳纤维化学镀铜：配备化学镀铜溶液，包括硫酸铜52％、氢氧化钠2.4％、甲醛0.36％，在化学镀铜的过程中，为了防止副反应的发生，需要加入稳定剂甲醇，但要严格控制甲醇的用量，一般加入100ml溶液中加入1g甲醇，电镀30min，随后铜离子在催化剂表面进行氧化还原反应生成铜，沉积在碳纤维的表面，得到均匀厚度的铜沉积碳纤维。

(4)混料：称取4g稀土Y₂O₃，9.6g上述预处理后的碳纤维，0.32g的铜粒，2.05g的Mg粉，0.02g的Zn粒，0.36g的Si粉，以及81.85g的Al粉，利用磁力搅拌的方法将物料均匀混合，较普通球磨，磁力搅拌能使配料混合的更均匀，且不损坏配料原有的组织成分，设定的磁力搅拌器的转速为950r/min，搅拌时间为6h。

(5)粉末预压处理：将混合好的粉末放在压模内，在室温环境下对粉末压坯各个方向施以350MPa均等的压力，并且要求预压坯的密度为复合材料的70-80％，以利于脱气阶段气体的排出。

(6)除气处理：为避免制品中出现气泡和裂纹，需要进行除气处理，除气温度一般应等于或者稍高于随后的热压、热加工变形温度，以避免压块中残存的水和气体造成材料中产生气泡和分层，采用的除气温度为1850℃。

(7)致密化处理：在粉末除气后，对其进行致密化处理，在确保低成本和高生产率的情况下，通过单轴冷挤压成坯，经过除气后，以10℃/min的速率升至1800℃，并按照50∶1的挤压比进行热挤压。

(8)后续热处理：为提高复合材料的综合力学性能，将制得的稀土添加碳纤维铝基复合材料进行热处理，合适的热处理制度为：460℃固溶处理8h，随后在120℃的温度下失效18h。

最终获得的复合的碳纤维铝基复合材料的抗拉强度为1020MPa，硬度为120HV。稀土的添加可以提高复合材料的加工性能，很容易成型出结构复杂的汽车车门。

稀土元素对改变复合材料的力学性能非常明显，加入4％的稀土元素，可以使复合材料的抗拉强度从912MPa提高到1020MPa，硬度从100HV提高到120HV，并且耐磨性和高温稳定性明显增强。用这种复合材料制造出的汽车车门比传统的金属质汽车车门的重量降低了40-60％，强度提高了3-5倍，不仅起到了节能减排的作用，还增强了车门的强度和刚度，更重要的是表面平整光洁，使车门的综合性能更优良。

实施例2

稀土(Cs)：6％

碳纤维：8％

Cu：0.2％

Mg：2.4％

Zn：0.03％

Si：0.5％

余量为Al

采用实施例1一样的制备方法，本实施例获得的复合的碳纤维铝基复合材料的抗拉强度为1050MPa，硬度为122HV。

对比实施例

本实施例作为对照例，未添加稀土的碳纤维铝基复合材料，其重量百分比的组成：

碳纤维：9.6％

Cu：0.32％

Mg：2.05％

Zn：0.02％

Si：0.36％

余量为Al

这种成分复合的碳纤维铝基复合材料的抗拉强度为912MPa，硬度为100HV，用这种复合材料成型汽车车门这种结构复杂的结构件时脱模困难，因而制得的车门表面平整度和亮度都不够高。

Claims (2)

1.一种稀土添加碳纤维铝基复合材料的制备方法，采用了粉末冶金法，其特征在于，依次包括备料步骤，碳纤维的预处理步骤，混料步骤，粉末预压步骤，除气以及粉末致密化步骤；

所述的备料步骤，将原料按照如下重量百分比备料设计：

稀土：4-6％；

碳纤维8-10％；

Cu：0.2-0.4％；

Mg：2-2.5％；

Zn：0.01-0.05％；

Si：0.3％-0.5％；

余量为Al；

其中，稀土为氧化钇(Y₂O₃)或铯(Cs)；

所述的碳纤维的预处理步骤，依次又包括对碳纤维进行镀前处理和镀Cu处理两个步骤，

所述镀前处理步骤再依次包括除胶处理、粗化处理和亲水性处理三个步骤，具体依次为：

(1)除胶处理：通过高温灼烧的方法实现的，烧灼工艺是烧灼温度为380℃，在此温度下持续烧灼30min；

(2)粗化工艺：用浓硝酸进行粗化；

(3)亲水性处理用NaOH对碳纤维进行亲水性处理，并用去离子水反复清洗，直至洗液呈中性为止；

所述的混料步骤，采用磁力搅拌；

所述的粉末预压步骤，预压坯密度为复合材料密度的70％-80％，以利于脱气阶段气体的逸出；

所述的除气以及粉末致密化步骤:除气处理时除气温度应等于或者稍高于随后的热压、热加工变形和热处理温度。

2.一种通过权利要求1所述制备方法获得的稀土添加碳纤维铝基复合材料。