CN104805383B - 一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法。本发明涉及一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法。本发明是为解决现有碳纤维增强金属基复合材料无法采用传统的缠绕工艺进行纤维缠绕、热导率不高以及热膨胀系数较高的问题。方法：一、缠绕纤维预制件；二、熔炼铝液；三、预制件预热；四、压力浸渗；五、冷却处理；六、退火处理。本发明设计和制备不同过渡圆弧直径的模具，保证碳纤维缠绕的连续性并使纤维定向排列；通过延长保压时间和降低冷却速率让提高碳纤维和铝合金基体之间界面结合，避免在冷却过程中出现界面开裂等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法。
背景技术
碳纤维增强金属基复合材料由于其高比强度、高比刚度的优点在航空航天和汽车领域的结构件中得到了越来越广泛的应用。由于航天器周期性运行导致周期性冷热循环，要求材料具有良好的热物理性能。同时，当今时代，电子器件体积日益减小，使单位面积上回路密度增加，局部产生的热量升高，为保证设备正常工作，热量必须连续传到出去而集成化阻碍热量的分布、传递和消耗。为满足电子器件传递热量的要求，电子封装材料需要具有良好的热耗散性能，即要求材料具有较低的热膨胀系数和较高的热导率。金属基复合材料(如碳纤维增强铝基或铜基复合材料和碳化硅颗粒增强铝基复合材料等)通过改变其增强体的种类和含量设计复合材料的热膨胀系数，但是较低的热导率成为了上述材料进一步应用的难题。
沥青基碳纤维具有较高的热导率(最高可达1120W/mK)，一直是国内外专家学者的研究热点之一。我国碳纤维的研究和制备起步较晚，沥青基碳纤维又常年成为发达国家限制出口的材料，因此我国对于高导热沥青基碳纤维及其复合材料的研究一直处于较为落后的水平。
但是，美国在上世纪80年代，采用扩散结合法制备了P100/6061复合材料应用于哈勃天文望远镜。然而，扩散结合法的主要缺陷在于制备工艺相对液态法比较繁琐，构件加工形状受限，不利于应用于大批量构件的加工制备。K.等在纯铜中加入适当的强碳化物形成元素，采用K1100纤维增强CuCrZr和CuCr制备复合材料。他们研究发现Cr的含量越高纤维与基体之间的界面结合强度越高，但是在界面生成大量的合金碳化物降低了基体的热导率，使热量在基体传递的过程中产生大量的散射，因此Cr<1％为好最高热导率能达到695W/mK。但是由于金属铜的密度较高，复合材料的密度较高不利于材料的轻质化。并且，由于沥青基碳纤维延伸率较低(仅为0.5％左右)，所以K.等人将碳纤维剪短后定向排列。
由于沥青基碳纤维的延伸率极低，因此无法采用传统的缠绕工艺进行预制件，从而使得最终得到的复合材料热导率不高。由于沥青基碳纤维和基体铝合金之间热导率存在着巨大差异，因此在冷却过程中产生巨大的残余应力，同时由于碳纤维为负膨胀材料，铝合金 的热膨胀系数较高，因此在压力浸渗过程中空冷导致在纤维和铝合金基体中存在着大量的残余应力，进一步导致热膨胀系数较高。
发明内容
本发明是为解决现有碳纤维增强金属基复合材料无法采用传统的缠绕工艺进行纤维缠绕、热导率不高以及热膨胀系数较高的问题，而提供一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法。
本发明的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料由体积分数为40％～60％的沥青基碳纤维和余量的纯铝基体制备而成。
本发明的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、缠绕纤维预制件：将沥青基碳纤维缠绕到模具上，然后进行固定，得到纤维预制件；所述的纤维缠绕厚度为6mm～7mm；
二、熔炼铝液：将纯铝基体在温度为700～900℃的条件下进行熔炼，熔炼过程以氩气进行气氛保护，并进行除渣处理，得到熔炼液；
三、预制件预热：将步骤一得到的纤维预制件压入钢模具中，将钢模具放入温度为550℃～650℃的炉子中预热3h～6h，得到预热后的纤维预制件；
四、压力浸渗：将步骤二得到的熔炼液浇注到步骤三中的钢模具内，在压力为30MPa～60MPa和温度为800～1000℃的条件下，保温保压60min～120min，得到纤维增强铝基复合材料；
五、冷却处理：将步骤四得到的纤维增强铝基复合材料在冷却速度为5℃/min～10℃/min下由温度为800～1000℃冷却至室温，然后脱模，得到冷却后的纤维增强铝基复合材料；
六、退火处理：将步骤五得到的冷却后的纤维增强铝基复合材料在温度为330℃～350℃温度下保温30min，然后随炉冷却至室温，得到Cf/Al复合材料；
所述的Cf/Al复合材料中沥青基碳纤维的体积分数为40％～60％。
本发明的有益效果：
本发明采用改进的挤压铸造法制备单向连续碳纤维增强铝基复合材料具体优点如下：
1、本发明采用圆弧过渡的方法，设计和制备不同过渡圆弧直径的模具，然后在缠绕机上将碳纤维缠绕到模具上，再进行装卡和固定。改进纤维的缠绕工艺，保证碳纤维缠绕 的连续性使纤维缠绕过程中有预紧力的作用，有利于纤维定向排列；
2、通过延长保压时间和降低冷却速率让碳纤维和铝合金基体之间有足够的温度和时间进行反应，提高界面结合；
3、同时，通过延长保压时间和降低冷却速率减小了碳纤维和铝基体之间由于巨大的热膨胀系数差异造成的残余应力，避免在冷却过程中出现界面开裂等缺陷。
附图说明
图1为具体实施方式六所述的模具正视图；其中1为第一挡板，2为纤维缠绕段，3为第二挡板；
图2为具体实施方式六所述的模具侧视图；其中1为第一挡板，2为纤维缠绕段，3为第二挡板，6为螺纹孔；
图3为具体实施方式六所述的模具中纤维缠绕段的示意图；其中2-1为位于纤维缠绕段2中间的长方形板体，2-2为位于长方形板体两端的弧形体；
图4为具体实施方式八所述的模具中纤维缠绕段的示意图；其中2-1为位于纤维缠绕段2中间的长方形板体，2-2为位于长方形板体两端的弧形体；
图5为具体实施方式六所述的模具中第一固定板的示意图；
图6为具体实施方式六所述的模具的结构示意图，其中2为纤维缠绕段，4为第一固定板，5为第二固定板；
图7为试验二十五得到的Cf/Al复合材料垂直于纤维方向的金相照片；
图8为试验二十五得到的Cf/Al复合材料平行于纤维方向的金相照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料由体积分数为40％～60％的沥青基碳纤维和余量的纯铝基体制备而成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的纯铝为纯铝1199。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的沥青基碳纤维为热导率为600W/mK的沥青基碳纤维。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：低膨胀高导热的Cf/Al复合材料由体积分数为50％的沥青基碳纤维和余量的纯铝基体制备而成。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法按以 下步骤进行：
一、缠绕纤维预制件：将沥青基碳纤维缠绕到模具上，然后进行固定，得到纤维预制件；所述的纤维缠绕厚度为6mm～7mm；
二、熔炼铝液：将纯铝基体在温度为700～900℃的条件下进行熔炼，熔炼过程以氩气进行气氛保护，并进行除渣处理，得到熔炼液；
三、预制件预热：将步骤一得到的纤维预制件压入钢模具中，将钢模具放入温度为550℃～650℃的炉子中预热3h～6h，得到预热后的纤维预制件；
四、压力浸渗：将步骤二得到的熔炼液浇注到步骤三中的钢模具内，在压力为30MPa～60MPa和温度为800～1000℃的条件下，保温保压60min～120min，得到纤维增强铝基复合材料；
五、冷却处理：将步骤四得到的纤维增强铝基复合材料在冷却速度为5℃/min～10℃/min下由温度为800～1000℃冷却至室温，然后脱模，得到冷却后的纤维增强铝基复合材料；
六、退火处理：将步骤五得到的冷却后的纤维增强铝基复合材料在温度为330℃～350℃温度下保温30min，然后随炉冷却至室温，得到Cf/Al复合材料；
所述的Cf/Al复合材料中沥青基碳纤维的体积分数为40％～60％。
本实施方式采用改进的挤压铸造法制备单向连续碳纤维增强铝基复合材料具体优点如下：
1、本实施方式采用圆弧过渡的方法，设计和制备不同过渡圆弧直径的模具，然后在缠绕机上将碳纤维缠绕到模具上，再进行装卡和固定。改进纤维的缠绕工艺，保证碳纤维缠绕的连续性使纤维缠绕过程中有预紧力的作用，有利于纤维定向排列；
2、通过延长保压时间和降低冷却速率让碳纤维和铝合金基体之间有足够的温度和时间进行反应，提高界面结合；
3、同时，通过延长保压时间和降低冷却速率减小了碳纤维和铝基体之间由于巨大的热膨胀系数差异造成的残余应力，避免在冷却过程中出现界面开裂等缺陷。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一中所述的模具由第一挡板1、纤维缠绕段2、第二挡板3、第一固定板4和第二固定板5构成；所述的第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3为一体结构；
所述的第一挡板1和第二挡板3均为长方形板体；
所述的第一固定板4和第二固定板5均为长方形板体；
所述的纤维缠绕段2为两端带有圆弧的扁平体结构，所述第一挡板1和第二挡板3分别固定在水平设置的纤维缠绕段2的左右两端，且第一挡板1和第二挡板3的高度与纤维缠绕段2的高度相同；
所述的纤维缠绕段2由位于中间的长方形板体2-1和位于长方形板体2-1两端的弧形体2-2组成，弧形体2-2的直径等于长方形板体2-1的高度；
在第一挡板1上开设两个螺纹孔6，且两个螺纹孔6对称设置在第一挡板1宽度方向的中间位置；
所述的第一固定板4设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的上端，且第一固定板4与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接，所述的第二固定板5设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的下端，且第二固定板5与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接。其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
本实施方式中第一挡板1的宽度与第二挡板3的宽度相等。
本实施方式中第一挡板1的宽度大于纤维缠绕段2最外沿的宽度与缠绕纤维的厚度之和。
本实施方式中螺纹孔6延伸至纤维缠绕段2中。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的弧形体2-2为半圆体，且半圆体直径为20mm～60mm。其他步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一中所述的模具由第一挡板1、纤维缠绕段2、第二挡板3、第一固定板4和第二固定板5构成；所述的第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3为一体结构；
所述的第一挡板1和第二挡板3均为长方形板体；
所述的第一固定板4和第二固定板5均为长方形板体；
所述的纤维缠绕段2为两端带有圆弧的扁平体结构，所述第一挡板1和第二挡板3分别固定在水平设置的纤维缠绕段2的左右两端，且第一挡板1和第二挡板3的高度与纤维缠绕段2的高度相同；
所述的纤维缠绕段2由位于中间的长方形板体2-1和位于长方形板体2-1两端的弧形体2-2组成，所述的弧形体2-2的圆弧轨迹由直径为R1的圆弧以及位于直径为R1的圆弧两侧的直径为R2的圆弧组成，且R1大于R2，所述的位于直径为R1的圆弧两侧的直径为 R2的圆弧的弧长相等，且直径为R1的圆弧与直径为R2的圆弧之间相切设置；
在第一挡板1上开设两个螺纹孔6，且两个螺纹孔6对称设置在第一挡板1宽度方向的中间位置；
所述的第一固定板4设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的上端，且第一固定板4与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接，所述的第二固定板5设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的下端，且第二固定板5与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接。其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
本实施方式中第一挡板1的宽度与第二挡板3的宽度相等。
本实施方式中第一挡板1的宽度大于纤维缠绕段2最外沿的宽度与缠绕纤维的厚度之和。
本实施方式中螺纹孔6延伸至纤维缠绕段2中。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：直径R2为20mm～50mm。其他步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是：直径R2为30mm。其他步骤及参数与具体实施方式八或九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八至十之一不同的是：直径R2的圆弧的圆心角α为60°～120°。其他步骤及参数与具体实施方式八至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式八至十一之一不同的是：直径R2的圆弧的圆心角α为90°～120°。其他步骤及参数与具体实施方式八至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式八至十二之一不同的是：直径R1为30mm～60mm。其他步骤及参数与具体实施方式八至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二中将纯铝基体在温度为800℃的条件下进行熔炼。其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤三中将钢模具放入温度为600℃的炉子中预热4h，得到预热后的纤维预制件。其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤四中在压力为40MPa～50MPa和温度为850～950℃的条件下，保温保压80min～100min，得到纤维增强铝基复合材料。其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤四中在压力为 45MPa和温度为900℃的条件下，保温保压90min，得到纤维增强铝基复合材料。其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤五中将步骤四得到的纤维增强铝基复合材料在冷却速度为5℃/min～7℃/min下由温度为900℃冷却至室温，然后脱模，得到冷却后的纤维增强铝基复合材料其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤六中将步骤五得到的冷却后的纤维增强铝基复合材料在温度为340℃温度下保温30min，然后随炉冷却至室温，得到Cf/Al复合材料。其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
用以下试验验证本发明的有益效果：
试验一、本试验的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料由体积分数为50％的沥青基碳纤维和余量的纯铝基体制备而成；
所述的纯铝为纯铝1199；
所述的沥青基碳纤维为热导率为600W/mK的沥青基碳纤维。
试验二、制备如试验一所述的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、缠绕纤维预制件：将沥青基碳纤维缠绕到模具上，然后进行固定，得到纤维预制件；
所述的沥青基碳纤维为热导率为600W/mK的沥青基碳纤维；
所述的纤维缠绕厚度为7mm；
二、熔炼铝液：将纯铝1199在温度为800℃的条件下进行熔炼，熔炼过程以氩气进行气氛保护，并进行除渣处理，得到熔炼液；
三、预制件预热：将步骤一得到的纤维预制件压入钢模具中，将钢模具放入温度为600℃的炉子中预热4h，得到预热后的纤维预制件；
四、压力浸渗：将步骤二得到的熔炼液浇注到步骤三中的钢模具内，在压力为45MPa和温度为900℃的条件下，保温保压90min，得到纤维增强铝基复合材料；
五、冷却处理：将步骤四得到的纤维增强铝基复合材料在冷却速度为5℃/min下由温度为900℃冷却至室温，然后脱模，得到冷却后的纤维增强铝基复合材料；
六、退火处理：将步骤五得到的冷却后的纤维增强铝基复合材料在温度为340℃温度 下保温30min，然后随炉冷却至室温，得到Cf/Al复合材料；
所述的Cf/Al复合材料中沥青基碳纤维的体积分数为50％。
步骤一中所述的模具由第一挡板1、纤维缠绕段2、第二挡板3、第一固定板4和第二固定板5构成；所述的第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3为一体结构；
所述的第一挡板1和第二挡板3均为长方形板体；
所述的第一固定板4和第二固定板5均为长方形板体；
所述的纤维缠绕段2为两端带有圆弧的扁平体结构，所述第一挡板1和第二挡板3分别固定在水平设置的纤维缠绕段2的左右两端，且第一挡板1和第二挡板3的高度与纤维缠绕段2的高度相同；
所述的纤维缠绕段2由位于中间的长方形板体2-1和位于长方形板体2-1两端的弧形体2-2组成，弧形体2-2的直径等于长方形板体2-1的高度；
在第一挡板1上开设两个螺纹孔6，且两个螺纹孔6对称设置在第一挡板1宽度方向的中间位置；
所述的第一固定板4设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的上端，且第一固定板4与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接，所述的第二固定板5设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的下端，且第二固定板5与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接；
所述的弧形体2-2为半圆体，且半圆体直径为20mm；
本试验中第一挡板1的宽度与第二挡板3的宽度相等；
本试验中第一挡板1的宽度大于纤维缠绕段2最外沿的宽度与缠绕纤维的厚度之和；
本试验中螺纹孔6延伸至纤维缠绕段2中。
步骤一纤维缠绕完成后，通过在100X的放大镜下观察纤维的折损情况。
试验三：本试验与试验二不同的是：所述的弧形体2-2为半圆体，且半圆体直径为30mm。
试验四：本试验与试验二不同的是：所述的弧形体2-2为半圆体，且半圆体直径为40mm。
试验五：本试验与试验二不同的是：所述的弧形体2-2为半圆体，且半圆体直径为50mm。
试验六：本试验与试验二不同的是：所述的弧形体2-2为半圆体，且半圆体直径为60mm。
试验七：本试验与试验二不同的是：步骤一中所述的模具由第一挡板1、纤维缠绕段2、第二挡板3、第一固定板4和第二固定板5构成；所述的第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3为一体结构；
所述的第一挡板1和第二挡板3均为长方形板体；
所述的第一固定板4和第二固定板5均为长方形板体；
所述的纤维缠绕段2为两端带有圆弧的扁平体结构，所述第一挡板1和第二挡板3分别固定在水平设置的纤维缠绕段2的左右两端，且第一挡板1和第二挡板3的高度与纤维缠绕段2的高度相同；
所述的纤维缠绕段2由位于中间的长方形板体2-1和位于长方形板体2-1两端的弧形体2-2组成，所述的弧形体2-2的圆弧轨迹由直径为R1的圆弧以及位于直径为R1的圆弧两侧的直径为R2的圆弧组成，且R1大于R2，所述的位于直径为R1的圆弧两侧的直径为R2的圆弧的弧长相等，且直径为R1的圆弧与直径为R2的圆弧之间相切设置；
在第一挡板1上开设两个螺纹孔6，且两个螺纹孔6对称设置在第一挡板1宽度方向的中间位置；
所述的第一固定板4设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的上端，且第一固定板4与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接，所述的第二固定板5设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的下端，且第二固定板5与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接；
本试验中第一挡板1的宽度与第二挡板3的宽度相等；
本试验中第一挡板1的宽度大于纤维缠绕段2最外沿的宽度与缠绕纤维的厚度之和；
本试验中螺纹孔6延伸至纤维缠绕段2中；
所述的直径R2为50mm；
所述的直径R2所对应的圆弧的圆心角α为60°；
所述的直径R1为60mm。
试验八：本试验与试验七不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为90°。
试验九：本试验与试验七不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为120°。
试验十：本试验与试验七不同的是：所述的直径R2为40mm。
试验十一：本试验与试验十不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为90°。
试验十二：本试验与试验十不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为120°。
试验十三：本试验与试验七不同的是：所述的直径R2为30mm。
试验十四：本试验与试验十三不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为90°。
试验十五：本试验与试验十三不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为120°。
试验十六：本试验与试验七不同的是：所述的直径R2为40mm，所述的直径R1为50mm。
试验十七：本试验与试验十六不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为90°。
试验十八：本试验与试验十六不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为120°。
试验十九：本试验与试验七不同的是：所述的直径R2为30mm，所述的直径R1为50mm。
试验二十：本试验与试验十九不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为90°。
试验二十一：本试验与试验十九不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为120°。
试验二十二：本试验与试验七不同的是：所述的直径R2为40mm，所述的直径R1为30mm。
试验二十三：本试验与试验二十二不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为90°。
试验二十四：本试验与试验二十二不同的是：所述的直径R2的圆弧的圆心角α为120°。
纤维缠绕完成后，通过在100X的放大镜下观察纤维的折损情况，确定最佳模具参数为：所述的直径R2为30mm，所述的直径R1为60mm，所述的直径R2的圆弧的圆心角α为120°。
试验二十五：制备如试验一所述的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、缠绕纤维预制件：将沥青基碳纤维缠绕到模具上，然后进行固定，得到纤维预制件；
所述的沥青基碳纤维为热导率为600W/mK的沥青基碳纤维；
所述的纤维缠绕厚度为7mm；
二、熔炼铝液：将纯铝1199在温度为800℃的条件下进行熔炼，熔炼过程以氩气进行气氛保护，并进行除渣处理，得到熔炼液；
三、预制件预热：将步骤一得到的纤维预制件压入钢模具中，将钢模具放入温度为600℃的炉子中预热4h，得到预热后的纤维预制件；
四、压力浸渗：将步骤二得到的熔炼液浇注到步骤三中的钢模具内，在压力为45MPa 和温度为900℃的条件下，保温保压90min，得到纤维增强铝基复合材料；
五、冷却处理：将步骤四得到的纤维增强铝基复合材料在冷却速度为5℃/min下由温度为900℃冷却至室温，然后脱模，得到冷却后的纤维增强铝基复合材料；
六、退火处理：将步骤五得到的冷却后的纤维增强铝基复合材料在温度为340℃温度下保温30min，然后随炉冷却至室温，得到Cf/Al复合材料；
所述的Cf/Al复合材料中沥青基碳纤维的体积分数为50％；
步骤一中所述的模具由第一挡板1、纤维缠绕段2、第二挡板3、第一固定板4和第二固定板5构成；所述的第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3为一体结构；
所述的第一挡板1和第二挡板3均为长方形板体；
所述的第一固定板4和第二固定板5均为长方形板体；
所述的纤维缠绕段2为两端带有圆弧的扁平体结构，所述第一挡板1和第二挡板3分别固定在水平设置的纤维缠绕段2的左右两端，且第一挡板1和第二挡板3的高度与纤维缠绕段2的高度相同；
所述的纤维缠绕段2由位于中间的长方形板体2-1和位于长方形板体2-1两端的弧形体2-2组成，所述的弧形体2-2的圆弧轨迹由直径为R1的圆弧以及位于直径为R1的圆弧两侧的直径为R2的圆弧组成，且R1大于R2，所述的位于直径为R1的圆弧两侧的直径为R2的圆弧的弧长相等，且直径为R1的圆弧与直径为R2的圆弧之间相切设置；
在第一挡板1上开设两个螺纹孔6，且两个螺纹孔6对称设置在第一挡板1宽度方向的中间位置；
所述的第一固定板4设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的上端，且第一固定板4与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接，所述的第二固定板5设置在第一挡板1、纤维缠绕段2和第二挡板3的下端，且第二固定板5与第一挡板1和第二挡板3之间通过螺钉连接；
本试验中第一挡板1的宽度与第二挡板3的宽度相等；
本试验中第一挡板1的宽度大于纤维缠绕段2最外沿的宽度与缠绕纤维的厚度之和；
本试验中螺纹孔6延伸至纤维缠绕段2中；
所述的直径R2为50mm；
所述的直径R2的圆弧的圆心角α为60°；
所述的直径R1为60mm。
(一)对试验二十五得到的Cf/Al复合材料进行热导率和热膨胀系数的测试，得到其热导率为385W/mK，达到理论混合定律的95％；热膨胀系数在(±1×10-6/K)，远远低于1199铝合金(24×10-6/K)。
(二)对试验二十五得到的Cf/Al复合材料进行金相检测，分别从垂直于纤维方向和平行纤维方向进行检测，得到如图7所示的垂直于纤维方向的Cf/Al复合材料的金相照片和图8所示的平行于纤维方向的Cf/Al复合材料的金相照片。
从图7可以看出碳纤维分布比较均匀没有纤维偏聚，浸渗效果比较理想没有气孔等铸造缺陷。
从图8中可以看出碳纤维的排布都是相互平行的，方向性比较好。
Claims (7)
1.一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法，其特征在于一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、缠绕纤维预制件：将沥青基碳纤维缠绕到模具上，然后进行固定，得到纤维预制件；所述的纤维缠绕厚度为6mm～7mm；
二、熔炼铝液：将纯铝基体在温度为700～900℃的条件下进行熔炼，熔炼过程以氩气进行气氛保护，并进行除渣处理，得到熔炼液；
三、预制件预热：将步骤一得到的纤维预制件压入钢模具中，将钢模具放入温度为550℃～650℃的炉子中预热3h～6h，得到预热后的纤维预制件；
四、压力浸渗：将步骤二得到的熔炼液浇注到步骤三中的钢模具内，在压力为30MPa～60MPa和温度为800～1000℃的条件下，保温保压60min～120min，得到纤维增强铝基复合材料；
五、冷却处理：将步骤四得到的纤维增强铝基复合材料在冷却速度为5℃/min～10℃/min下由温度为800～1000℃冷却至室温，然后脱模，得到冷却后的纤维增强铝基复合材料；
六、退火处理：将步骤五得到的冷却后的纤维增强铝基复合材料在温度为330℃～350℃温度下保温30min，然后随炉冷却至室温，得到Cf/Al复合材料；
所述的Cf/Al复合材料中沥青基碳纤维的体积分数为40％～60％。
2.根据权利要求1所述的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的模具由第一挡板(1)、纤维缠绕段(2)、第二挡板(3)、第一固定板(4)和第二固定板(5)构成；所述的第一挡板(1)、纤维缠绕段(2)和第二挡板(3)为一体结构；
所述的第一挡板(1)和第二挡板(3)均为长方形板体；
所述的第一固定板(4)和第二固定板(5)均为长方形板体；
所述的纤维缠绕段(2)为两端带有圆弧的扁平体结构，所述第一挡板(1)和第二挡板(3)分别固定在水平设置的纤维缠绕段(2)的左右两端，且第一挡板(1)和第二挡板(3)的高度与纤维缠绕段(2)的高度相同；
所述的纤维缠绕段(2)由位于中间的长方形板体(2-1)和位于长方形板体(2-1)两端的弧形体(2-2)组成，弧形体(2-2)的直径等于长方形板体(2-1)的高度；
在第一挡板(1)上开设两个螺纹孔(6)，且两个螺纹孔(6)对称设置在第一挡板(1)宽度方向的中间位置；
所述的第一固定板(4)设置在第一挡板(1)、纤维缠绕段(2)和第二挡板(3)的上端，且第一固定板(4)与第一挡板(1)和第二挡板(3)之间通过螺钉连接，所述的第二固定板(5)设置在第一挡板(1)、纤维缠绕段(2)和第二挡板(3)的下端，且第二固定板(5)与第一挡板(1)和第二挡板(3)之间通过螺钉连接。
3.根据权利要求2所述的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法，其特征在于弧形体(2-2)为半圆体，且半圆体直径为20mm～60mm。
4.根据权利要求1所述的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的模具由第一挡板(1)、纤维缠绕段(2)、第二挡板(3)、第一固定板(4)和第二固定板(5)构成；所述的第一挡板(1)、纤维缠绕段(2)和第二挡板(3)为一体结构；
所述的第一挡板(1)和第二挡板(3)均为长方形板体；
所述的第一固定板(4)和第二固定板(5)均为长方形板体；
所述的纤维缠绕段(2)为两端带有圆弧的扁平体结构，所述第一挡板(1)和第二挡板(3)分别固定在水平设置的纤维缠绕段(2)的左右两端，且第一挡板(1)和第二挡板(3)的高度与纤维缠绕段(2)的高度相同；
所述的纤维缠绕段(2)由位于中间的长方形板体(2-1)和位于长方形板体(2-1)两端的弧形体(2-2)组成，所述的弧形体(2-2)的圆弧轨迹由直径为R1的圆弧以及位于直径为R1的圆弧两侧的直径为R2的圆弧组成，且R1大于R2，所述的位于直径为R1的圆弧两侧的直径为R2的圆弧的弧长相等，且直径为R1的圆弧与直径为R2的圆弧之间相切设置；
在第一挡板(1)上开设两个螺纹孔(6)，且两个螺纹孔(6)对称设置在第一挡板(1)宽度方向的中间位置；
所述的第一固定板(4)设置在第一挡板(1)、纤维缠绕段(2)和第二挡板(3)的上端，且第一固定板(4)与第一挡板(1)和第二挡板(3)之间通过螺钉连接，所述的第二固定板(5)设置在第一挡板(1)、纤维缠绕段(2)和第二挡板(3)的下端，且第二固定板(5)与第一挡板(1)和第二挡板(3)之间通过螺钉连接。
5.根据权利要求4所述的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法，其特征在于直径R2为20mm～50mm。
6.根据权利要求4所述的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法，其特征在于直径R2的圆弧的圆心角α为60°～120°。
7.根据权利要求4所述的一种低膨胀高导热的Cf/Al复合材料的制备方法，其特征在于直径R1为30mm～60mm。
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