CN104988437B - 纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法 - Google Patents

纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法 Download PDF

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Abstract

纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法。本发明涉及纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法。本发明是为了解决现有纤维增强金属基复合材料横向热膨胀系数较高的问题。一种纤维增强金属基复合材料由纤维、负膨胀粉末和轻金属制成。方法：在纤维预制体成型过程中，每缠绕或铺层一层纤维便涂覆一层负膨胀粉末浆料，并均匀揉搓，使负膨胀粉末弥散分布于纤维缝隙中；将涂覆负膨胀粉末的纤维预制体在模具中定型；采用压力浸渗方式制备成纤维增强金属基复合材料。本发明的纤维增强金属基复合材料三维方向热膨胀系数各个方向基本趋于一致、膨胀系数低。本发明应用于对复合材料各向同性要求较高的立体几何构件或者平板中。

Description

纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法
技术领域
本发明涉及维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法。
背景技术
纤维是一种高性能复合材料最常用的增强体，连续长纤维具有高比强度、高比模量，同时还具有良好的导热、导电性能；将纤维与铝合金复合制备成复合材料，具有高强轻质、低热膨胀和高导热等优异性能；满足航空航天等结构件的需求。
碳纤维在径向方向热膨胀系数很小，为(0.8～2.4)×10-6K-1，可以约束基体合金的变形，但其横向方向上的热膨胀系数为(17～20)×10-6K-1，因此碳纤维增强金属基复合材料是各向异性的，温度变化时，其各方向尺寸变化不一致，将影响复合材料器件最终结构尺寸和其使用的可靠性。
发明内容
本发明是为了解决现有纤维增强金属基复合材料横向热膨胀系数较高的问题，而提供了纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法。
本发明纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法具体是按以下步骤进行的：
一、将负膨胀粉末放入洁净的烧杯中，向烧杯中加入酒精，并搅拌均匀，制成浆料；所述负膨胀粉末的质量与酒精的体积比为1g:(1～10)mL；
二、将纤维制成纤维束或纤维布，然后将步骤一得到的浆料涂覆到纤维束或纤维布上，得到涂覆有浆料的纤维预制件；所述涂覆的具体操作是：①当为纤维束时，对纤维束进行缠绕，每缠绕一层纤维束后，涂覆一层步骤一得到的浆料，并揉搓均匀；②当为纤维布时，对纤维布进行铺层，每铺设一层纤维布后，涂覆一层步骤一得到的浆料，并揉搓均匀；所述纤维为碳纤维或SiC纤维；
三、将步骤二得到的涂覆有浆料的纤维预制件置于模具中进行定型，在坩埚中将轻金属熔化，然后采用压力浸透进行压制，得到纤维增强金属基复合材料；所述轻金属为铝、铝合金、镁或镁合金；所述纤维增强金属基复合材料中纤维的体积分数为45％～65％；负膨胀粉末的体积分数为1％～10％；所述轻金属的体积分数为25％～54％。
本发明的有益效果：
本发明通过涂刷、揉搓，均匀加入负膨胀粉末，降低纤维增强金属基复合材料横向热膨胀系数，在单向纤维层间涂刷一定含量的负膨胀粉末制成的纤维单向增强的金属基复合材料在横向热膨胀系数降低，在0°～90°方向上各向热膨胀系数趋于一致，约为3×10-6～4×10-6，并且本发明制备的纤维增强金属基复合材料的几何结构尺寸随温度的变化很小或者基本不变，在航天器件结构中的对各向同性要求较高的立体几何构件及平板中应用具有很重要的应用前景。
本发明制备的纤维增强金属基复合材料纤维的体积分数低于未含有负膨胀粉末的纤维体积分数，且负膨胀粉末的加入含量很小就可以满足降低复合材料横向热膨胀系数的要求。
本发明制备的纤维增强金属基复合材料具有优良的综合性能，具有低密度、高比刚度和比强度、高导热性能、各向同性且低热膨胀等特点。
附图说明
图1是实施例一得到的纤维增强金属基复合材料的平面金相照片；
图2是实施例一得到的纤维增强金属基复合材料的垂直于纤维布平面的截面金相照片；
图3是实施例一得到的纤维增强金属基复合材料的热膨胀系数曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法具体是按以下步骤进行的：
一、将负膨胀粉末放入洁净的烧杯中，向烧杯中加入酒精，并搅拌均匀，制成浆料；所述负膨胀粉末的质量与酒精的体积比为1g:(1～10)mL；
二、将纤维制成纤维束或纤维布，然后将步骤一得到的浆料涂覆到纤维束或纤维布上，得到涂覆有浆料的纤维预制件；所述涂覆的具体操作是：①当为纤维束时，对纤维束进行缠绕，每缠绕一层纤维束后，涂覆一层步骤一得到的浆料，并揉搓均匀；②当为纤维布时，对纤维布进行铺层，每铺设一层纤维布后，涂覆一层步骤一得到的浆料，并揉搓均匀；所述纤维为碳纤维或SiC纤维；
三、将步骤二得到的涂覆有浆料的纤维预制件置于模具中进行定型，在坩埚中将轻金属熔化，然后采用压力浸透进行压制，得到纤维增强金属基复合材料；所述轻金属为铝、铝合金、镁或镁合金；所述纤维增强金属基复合材料中纤维的体积分数为45％～65％；负膨胀粉末的体积分数为1％～10％；所述轻金属的体积分数为25％～54％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述负膨胀粉末为钨酸锆、反钙钛矿结构的锰氮化合物、钼酸钇、β-锂霞石和钛酸铅中的一种或其中几种的混合物；所述负膨胀粉末的粒度为100目～300目。其他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：步骤一中所述负膨胀粉末的粒度为201目～250目。其他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：步骤三中所述纤维增强金属基复合材料中纤维的体积分数为60％；负膨胀粉末的体积分数为10％；所述轻金属的体积分数为30％。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中所述纤维增强金属基复合材料中纤维的体积分数为50％；负膨胀粉末的体积分数为10％；所述轻金属的体积分数为40％。其他与具体实施方式一至四之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果
实施例一：纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法具体是按以下步骤进行的：
一、将10g负膨胀粉末放入洁净的烧杯中，向烧杯中加入50mL酒精，并搅拌均匀，制成浆料；所述负膨胀粉末的粒度为100～150目；所述负膨胀粉末为钨酸锆；
二、将碳纤维制成纤维束，然后对纤维束进行缠绕，每缠绕一层纤维束后，涂覆一层步骤一得到的浆料，并揉搓均匀；得到涂覆有浆料的纤维预制件；所述纤维为碳纤维；
三、将步骤二得到的涂覆有浆料的纤维预制件置于模具中进行定型，在坩埚中将铝熔化，然后采用压力浸透进行压制，得到纤维增强金属基复合材料；所述轻金属为铝；所述纤维增强金属基复合材料中纤维的体积分数为60％；负膨胀粉末的体积分数为10％；所述轻金属的体积分数为30％。
图1是实施例一得到的纤维增强金属基复合材料的平面金相照片；图2是实施例一得到的纤维增强金属基复合材料的垂直于纤维布平面的截面金相照片；图3是实施例一得到的纤维增强金属基复合材料的热膨胀系数曲线。从图1和图2中可以看出，经揉搓处理后，负膨胀颗粒弥散分布于纤维布之间；从图3中可以看出在不同角度测试复合材料热膨胀性能，复合材料各个方向上热膨胀系数低且趋于一致。
实施例二：纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法具体是按以下步骤进行的：
一、将10g负膨胀粉末放入洁净的烧杯中，向烧杯中加入50mL酒精，并搅拌均匀，制成浆料；所述负膨胀粉末的粒度为100～150目；所述负膨胀粉末为钨酸锆；
三、将碳纤维制成纤维布，对纤维布进行铺层，每铺设一层纤维布后，涂覆一层步骤一得到的浆料，并揉搓均匀；得到涂覆有浆料的纤维预制件；
四、将步骤二得到的涂覆有浆料的纤维预制件置于模具中进行定型，在坩埚中将铝熔化，然后采用压力浸透进行压制，得到纤维增强金属基复合材料。
实施例三：本实施例与实施例一不同之处在于：所述负膨胀粉末的粒度为151～200目。其他与实施例一相同。
实施例四：本实施例与实施例一不同之处在于：所述负膨胀粉末的粒度为201～250目。其他与实施例一相同。
实施例五：本实施例与实施例一不同之处在于：所述负膨胀粉末的粒度为251～300目。其他与实施例一相同。
实施例六：本实施例与实施例一不同之处在于：所述纤维为SiC纤维。其他与实施例一相同。
实施例七：本实施例与实施例一不同之处在于：所述轻金属为镁或镁合金。其他与实施例一相同。
实施例八：本实施例与实施例一不同之处在于：所述负膨胀粉末为反钙钛矿结构的锰氮化合物。其他与实施例一相同。
实施例九：本实施例与实施例一不同之处在于：所述负膨胀粉末为钼酸钇。其他与实施例一相同。β-锂霞石
实施例十：本实施例与实施例一不同之处在于：所述负膨胀粉末为β-锂霞石。其他与实施例一相同。

Claims (4)

1.纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法，其特征在于纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法具体是按以下步骤进行的：
一、将负膨胀粉末放入洁净的烧杯中，向烧杯中加入酒精，并搅拌均匀，制成浆料；所述负膨胀粉末的质量与酒精的体积比为1g:(1～10)mL；
二、将纤维制成纤维束或纤维布，然后将步骤一得到的浆料涂覆到纤维束或纤维布上，得到涂覆有浆料的纤维预制件；所述涂覆的具体操作是：①当为纤维束时，对纤维束进行缠绕，每缠绕一层纤维束后，涂覆一层步骤一得到的浆料，并揉搓均匀；②当为纤维布时，对纤维布进行铺层，每铺设一层纤维布后，涂覆一层步骤一得到的浆料，并揉搓均匀；所述纤维为碳纤维或SiC纤维；
三、将步骤二得到的涂覆有浆料的纤维预制件置于模具中进行定型，在坩埚中将轻金属熔化，然后采用压力浸透进行压制，得到纤维增强金属基复合材料；所述轻金属为铝、铝合金、镁或镁合金；所述纤维增强金属基复合材料中纤维的体积分数为45％～65％；负膨胀粉末的体积分数为1％～10％；所述轻金属的体积分数为25％～54％；
步骤一中所述负膨胀粉末为钨酸锆、反钙钛矿结构的锰氮化合物、钼酸钇、β-锂霞石和钛酸铅中的一种或其中几种的混合物；所述负膨胀粉末的粒度为100目～300目。
2.根据权利要求1所述的纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法，其特征在于步骤一中所述负膨胀粉末的粒度为201目～250目。
3.根据权利要求1所述的纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法，其特征在于步骤三中所述纤维增强金属基复合材料中纤维的体积分数为60％；负膨胀粉末的体积分数为10％；所述轻金属的体积分数为30％。
4.根据权利要求1所述的纤维增强金属基复合材料的三维各向同性化的方法，其特征在于步骤三中所述纤维增强金属基复合材料中纤维的体积分数为50％；负膨胀粉末的体积分数为10％；所述轻金属的体积分数为40％。
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