CN105039877A - 碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法与应用。该复合材料的成分按质量百分数为：稀土Nd：0.4-0.6％；碳纤维8-10％；Si：5.5％-6.5％；Cu：1-4％；Fe：1.0％；Mn：0.5％；Mg：0.1％；Zn：1.0％；余量为Al。与现有技术相比，本发明复合材料加入了稀土元素钕，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，成型出结构复杂的零部件。对去胶、粗化前的碳纤维进行树脂保护的处理，克服现有碳纤维增强铝基复合材料制备过程中碳纤维易损伤的不足，树脂热解实现了去胶处理，同时，热解后的树脂变成多孔材料，增加了碳纤维表面粗糙度，完成了粗化处理。对碳纤维进行保护的同时完成了传统工艺所需的去胶、粗化，一举两得。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料及其制备，尤其是涉及一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着能源与环境压力的增大，轻量化得到了越来越多的关注。铝作为轻量化金属的优势在于铝的力学性能好，其密度只有钢铁的1/3；导热性好，仅次于铜；机械加工性能比铁高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铸造工艺性能好，可以获得薄壁复杂铸件；吸收冲击的能力是钢的2倍且易于回收再生。碳纤维/铝基复合材料更是得到了广泛的使用。碳纤维/铝合金复合材料由具有高比强度的铝合金和具有高比模量、良好韧性和高抗拉强度的碳纤维布复合而成，具有密度低、比强度高、抗拉伸及比模量高等优点。
碳纤维/铝合金复合材料传统的制备工艺为：1：根据对成品内碳纤维布的尺寸对其进行裁剪，再对其进行去胶、粗化处理；2：采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，取出后用去离子水水洗，热风中干燥；3：按所需成品的尺寸要求及其内部碳纤维布的分布要求对固态铝合金进行切割，随后与碳纤维布交替叠放制成预制件；4：SPS烧结预制件。
复合材料不可回避的是基体与增强体的界面问题。目前处理碳纤维与铝基体界面问题的方法为在碳纤维表层镀铜。镀铜工艺一般为：首先对碳纤维进行去胶、粗化处理，碳纤维在380℃的温度下灼烧30min进行除胶，将除胶后的碳纤维放入72％的浓硝酸中进行粗化，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；采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min。传统镀铜工艺前的去胶、粗化处理过程不可避免的对碳纤维造成破坏，影响碳纤维性能，进而对复合材料整体性能产生不利影响。
中国专利CN103628005A公布了一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料及制备方法。所述刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料是采用铝-硅-铜系铝合金作为基体，以微纳米级别的碳纤维作为铝合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法而成的。通过碳纤维增强，提高了材料的耐疲劳性能和耐磨损性能，刹车效果好、使用寿命长，可应用于各种机动车辆的刹车盘。上述复合材料中碳纤维也容易受到损坏。
发明内容
本发明的目的在于克服现有碳纤维/铝基复合材料制备过程中碳纤维易损伤的不足，制备出一种新型碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种碳纤维增强铝基复合材料，该复合材料的成分按质量百分数为：稀土Nd：0.4-0.6％；碳纤维8-10％；Si：5.5％-6.5％；Cu：1-4％；Fe：1.0％；Mn：0.5％；Mg：0.1％；Zn：1.0％；余量为Al。
所述的碳纤维为短纤维，纤维长度为2mm。长度较小时，拉伸过程中碳纤维容易从基体中拔出，无法起到增强作用；长度较大时，纤维分散不均匀，容易形成团聚，使复合材料中缺陷增多，因而降低复合材料性能。
碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维在液态呋喃树脂中浸渍，取出干燥后进行热解，热解后碳纤维表层树脂变成多孔材料，省去了粗化处理过程，一举多得；
(2)采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，施镀完成后用去离子水水洗并干燥；
(3)将镀铜碳纤维与铝粉经充分混合均匀，压块，制备含碳纤维的铝基块体；
(4)将电阻式石墨坩埚放入箱式电阻炉中预热到200-300℃，再将切小后的铝合金放入坩埚中加热至715-740℃完全熔化；加入含碳纤维的铝基块体；加入单质铜、硅、锌、镁、铁、锰粉末，调配到规定的质量分数；加入稀土元素Nd粉末，充分搅拌至全部熔化；
(5)升温到730-750℃，经精炼、除气、扒渣后随炉降温至650℃进行变质处理，扒渣后浇入预热的金属型中快速冷却，成型。
步骤(1)中热解在氮气环境中进行，温度为200℃-300℃，热解时间为2-3小时。
步骤(2)中，施镀工艺为：电流占空比为80％，电流密度为8A/dm2，脉冲电流频率为120Hz，室温下施镀，施镀时间为100min。
步骤(2)中，镀液成分为CuSO4500g/L、H2SO4200g/L。
步骤(2)中，干燥温度为80-90℃，干燥时间为15min。
步骤(5)中，变质时间为45min。
所述的碳纤维增强铝基复合材料用于机车连接杆。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、对去胶、粗化前的碳纤维进行树脂保护处理，碳纤维保护处理使用的材料为呋喃树脂，克服现有碳纤维增强铝基复合材料制备过程中碳纤维易损伤的不足。树脂热解实现了去胶处理，同时，热解后的树脂变成多孔材料，附着在碳纤维表面，降低了高温对纤维的损伤，对碳纤维起到保护作用。此外，多空材料增加了碳纤维表面粗糙度，完成了粗化处理。对碳纤维进行保护的同时完成了传统工艺所需的去胶、粗化，一举两得。
2、稀土元素的添加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，成型出结构复杂的零部件。这是由于稀土元素Nd基本上沿晶界析出，同时Nd又是一种表面活性元素,容易与晶界的空位结合聚集在晶界,降低了晶界能,提高了界面的结合力,进而强化晶界。此外，稀土元素Nd还可以起到细化晶粒的作用，使复合材料的强度、塑性都有所提高。
3、相比于现有的碳纤维增强铝基复合材料，本发明的复合材料具有更加优异的力学性能，抗拉强度最高可达到300MPa(传统抗拉强度约为280MPa)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)对碳纤维进行去胶、粗化处理，碳纤维在380℃的温度下灼烧30min进行除胶，将除胶后的碳纤维放入72％的浓硝酸中进行粗化，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；采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min。
(2)采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，电流占空比为80％，电流密度为8A/dm2，脉冲电流频率为120Hz；镀液成分为CuSO4(500g/L)，H2SO4(200g/L)；室温下施镀，施镀时间为100min。施镀完成后用去离子水水洗20min，然后在80-90℃的热风中干燥15min；
(3)将镀铜碳纤维与铝粉经充分混合均匀，压块，制备含碳纤维的铝基块体；
(4)将电阻式石墨坩埚放入箱式电阻炉中预热到300℃，再将切小后的A319铝合金放入坩埚中加热至740℃完全熔化；加入含碳纤维的铝基块体；加入单质铜、硅、锌、镁、铁、锰粉末，调配到规定的质量分数；加入稀土元素Nd粉末，配成Nd含量为0.6％的合金成分，充分搅拌至全部熔化。
(5)升温到750℃，经精炼、除气、扒渣后随炉降温至650℃进行变质处理，变质时间为45min，调整温度至650℃扒渣后浇入预热的金属型中快速冷却，成型。
实施例2
(1)将短纤维在液态呋喃树脂中浸渍，取出干燥，然后把得到的碳纤维进行热解，热解在氮气环境中进行，热解时间为200℃，热解时间为3小时；
(2)采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，电流占空比为80％，电流密度为8A/dm2，脉冲电流频率为120Hz；镀液成分为CuSO4(500g/L)，H2SO4(200g/L)；室温下施镀，施镀时间为100min。施镀完成后用去离子水水洗20min，然后在80-90℃的热风中干燥15min；
(3)将镀铜碳纤维与铝粉经充分混合均匀，压块，制备含碳纤维的铝基块体；
(4)将电阻式石墨坩埚放入箱式电阻炉中预热到200℃，再将切小后的A319铝合金放入坩埚中加热至715℃完全熔化；加入含碳纤维的铝基块体；加入单质铜、硅、锌、镁、铁、锰粉末，调配到规定的质量分数；加入稀土元素Nd粉末，配成Nd含量为0.4％的合金成分，充分搅拌至全部熔化。
(5)升温到730℃，经精炼、除气、扒渣后随炉降温至650℃进行变质处理，变质时间为45min，调整温度至650℃扒渣后浇入预热的金属型中快速冷却，成型。
实施例3
(1)将短纤维在液态呋喃树脂中浸渍，取出干燥，然后把得到的碳纤维进行热解，热解在氮气环境中进行，热解时间为250℃，热解时间为2.5小时；
(2)采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，电流占空比为80％，电流密度为8A/dm2，脉冲电流频率为120Hz；镀液成分为CuSO4(500g/L)，H2SO4(200g/L)；室温下施镀，施镀时间为100min。施镀完成后用去离子水水洗20min，然后在80-90℃的热风中干燥15min；
(3)将镀铜碳纤维与铝粉经充分混合均匀，压块，制备含碳纤维的铝基块体；
(4)将电阻式石墨坩埚放入箱式电阻炉中预热到250℃，再将切小后的A319铝合金放入坩埚中加热至730℃完全熔化；加入含碳纤维的铝基块体；加入单质铜、硅、锌、镁、铁、锰粉末，调配到规定的质量分数；加入稀土元素Nd粉末，配成Nd含量为0.5％的合金成分，充分搅拌至全部熔化。
(5)升温到740℃，经精炼、除气、扒渣后随炉降温至650℃进行变质处理，变质时间为45min，调整温度至650℃扒渣后浇入预热的金属型中快速冷却，成型。
实施例4
(1)将短纤维在液态呋喃树脂中浸渍，取出干燥，然后把得到的碳纤维进行热解，热解在氮气环境中进行，热解时间为300℃，热解时间为2小时；
(2)采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，电流占空比为80％，电流密度为8A/dm2，脉冲电流频率为120Hz；镀液成分为CuSO4(500g/L)，H2SO4(200g/L)；室温下施镀，施镀时间为100min。施镀完成后用去离子水水洗20min，然后在80-90℃的热风中干燥15min；
(3)将镀铜碳纤维与铝粉经充分混合均匀，压块，制备含碳纤维的铝基块体；
(4)将电阻式石墨坩埚放入箱式电阻炉中预热到300℃，再将切小后的A319铝合金放入坩埚中加热至740℃完全熔化；加入含碳纤维的铝基块体；加入单质铜、硅、锌、镁、铁、锰粉末，调配到规定的质量分数；加入稀土元素Nd粉末，配成Nd含量为0.6％的合金成分，充分搅拌至全部熔化。
(5)升温到750℃，经精炼、除气、扒渣后随炉降温至650℃进行变质处理，变质时间为45min，调整温度至650℃扒渣后浇入预热的金属型中快速冷却，成型。
以上四种实施案例中制备的复合材料，其抗拉强度分别为307MPa、301MPa、299MPa、295MPa。传统的碳纤维增强铝基复合材料的抗拉强度为280MPa左右。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于，该复合材料的成分按质量百分数为：
稀土Nd：0.4-0.6％；碳纤维8-10％；Si：5.5％-6.5％；Cu：1-4％；Fe：1.0％；Mn：0.5％；Mg：0.1％；Zn：1.0％；余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于，所述的碳纤维为短纤维，纤维长度为2mm。
3.一种如权利要求1所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将碳纤维在液态呋喃树脂中浸渍，取出干燥后进行热解；
(2)采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，施镀完成后用去离子水水洗并干燥；
(3)将镀铜碳纤维与铝粉经充分混合均匀，压块，制备含碳纤维的铝基块体；
(4)坩埚中将铝合金完全熔化后加入含碳纤维的铝基块体，再加入单质铜、硅、锌、镁、铁、锰粉末，调配到规定的质量分数；最后加入稀土元素Nd粉末，充分搅拌至全部熔化；
(5)升温到730-750℃，经精炼、除气、扒渣后随炉降温至650℃进行变质处理，扒渣后浇入预热的金属型中快速冷却，成型。
4.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中热解在氮气环境中进行，温度为200℃-300℃，热解时间为2-3小时。
5.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，施镀工艺为：电流占空比为80％，电流密度为8A/dm2，脉冲电流频率为120Hz，室温下施镀，施镀时间为100min。
6.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，镀液成分为CuSO4500g/L、H2SO4200g/L。
7.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，变质时间为45min。
8.一种如权利要求1所述的碳纤维增强铝基复合材料用于机车连接杆。
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