CN105220086A - 连续陶瓷纤维均布铝带材超声波固结快速制造方法 - Google Patents

Abstract

发明了一种连续陶瓷纤维均布铝带材超声波固结快速制造方法。SiC、Al₂O₃陶瓷纤维预处理工艺参数为：保温温度为600～700℃，保温时间分别为1.5h和0.5h。经过预处理的束状陶瓷纤维均布铝带材制备工艺参数为：常温下，所加载荷为125～150kgf，振幅20～40μm，速度30～50mm/s。制备出的纤维均布铝带材中实现了束状纤维分散、均匀分布，且与铝带形成了良好的结合，界面结合情况良好，铝带之间结合紧密且无明显界面，是一种可用于制备陶瓷纤维均布铝带材的快速成形制造方法。

Description

连续陶瓷纤维均布铝带材超声波固结快速制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料的制备方法，具体涉及连续陶瓷纤维铝带材结构设计以及纤维均布预制铝带的超声波固结快速制造方法。

背景技术

由于陶瓷纤维(Al₂O₃、SiC)的低密度高模量、高强度、耐高温、耐腐蚀等优异性能、在轻金属(如铝合金、钛合金和镁合金等)基复合材料及其零部件中获得了广泛的应用，但是目前主要应用的是短纤维，而连续长纤维，特别是束丝长纤维，由于存在难以人工分散，铺放时易折断，在复合材料以及零部件中分布不均匀和性能不均匀等问题，影响了连续长纤维的推广和应用。例如：由于陶瓷纤维增强金属间化合物基复合材料具有低密度、高强度、高模量的优异性能，广泛应用于航空航天等领域。但当利用真空烧结法制备该类复合材料时，其制备过程中存在纤维分散差、分布不均匀等问题，从而严重影响纤维增强金属间化合物基层状复合材料的性能。

近年来发展的超声波固结成形技术是采用大功率超声波能量，以金属箔材作为原料，利用金属层与层振动摩擦而产生的热量，促进界面间金属原子的相互扩散，实现金属界面固态冶金结合。超声波固结成形已发展成具有3D打印功能的增材制造技术，在金属层状复合材料、纤维增强复合材料、智能结构和复杂型腔零部件等制造领域获得了广阔的应用。该技术具有以下优点：

(1)原材料是采用一定厚度的普通商用金属带材，如铝带、铜带、钛带、钢带等，所以，原材料来源广泛，价格低廉。

(2)超声波固结过程是固态连接成形，温度低，一般是金属熔点的25％～50％，因此材料内部的残余内应力低，结构稳定性好，成形后无须进行去应力退火。

(3)节省能源，所消耗的能量只有传统成形工艺的5％左右；不产生任何焊渣、污水、有害气体等废物污染，因而是一种节能环保的快速成形与制造方法。

(4)该技术不仅可用于金属基复合材料和结构、金属泡沫和金属蜂窝夹芯结构面板的快速铺设成形和制造，还可以通过把功能元器件植入其中，制备出智能结构和零部件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便于操作，成本较低，无污染的连续陶瓷纤维均布铝带材超声波固结快速制造方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将束状陶瓷纤维放置于箱式电阻炉中进行保温处理，保温温度为600～700℃，保温时间为0.5h～1.5h去除束状陶瓷纤维表面的热分解涂层；

(2)用酒精清洗束状陶瓷纤维表面，然后用超声波清洗机对束状陶瓷纤维进行清洗，时间为15～20min，温度30℃～40℃，去除剩余的涂层颗粒和杂质；

(3)将清洗过的束状陶瓷纤维烘干；

(4)将厚度为0.15mm的1100铝材切割成24mm×800mm的铝带，按照“铝带-束状陶瓷纤维铝带”顺序叠放，最后利用超声波固结装置进行固结。

所述利用超声波固结装置进行固结的主要工艺参数为：在常温下，超声波固结装置压头压力为125～150kgf，超声波振幅为20～40μm，压头运动速度为30～50mm/s。

所述束状陶瓷纤维为束状SiC陶瓷纤维或束状Al₂O₃陶瓷纤维。

本发明针对连续陶瓷纤维在轻金属基复合材料与零部件难以均匀分布等问题，发明了利用超声波固结成形技术制备陶瓷纤维均布预制铝带材的快速制造方法，解决了陶瓷纤维在基体中分散及均匀分布等问题，为进一步制备连续陶瓷长纤维增强轻金属基复合材料与零部件提供高性能的陶瓷纤维均匀分布原材料。

本发明制备出纤维在基体中分散且分布均匀的纤维-金属预制铝带。所制备出的预制带中，纤维与基体紧密结合，束状纤维分散且均匀分布于基体中，可进一步用作制备连续陶瓷纤维增强轻金属基复合材料与零部件的原材料，且制备过程在超声波固结装置上室温条件下进行，便于操作，成本较低，无污染。

本发明的创新点为：

(1)本发明使用的束状SiC陶瓷纤维，是一种由先驱体转化法制备的高性能陶瓷纤维，每束含500根直径约为10～15μm，该类纤维具有很高的比强度和比模量。Al₂O₃陶瓷纤维直径约为7μm，化学成分为Al₂O₃：72％，SiO₂：28％，该类纤维具有较高的弹性模量、抗拉强度，且浸渗性好。

(2)本发明采用超声波固结制造技术，在超声波的作用下可以使得束状陶瓷纤维得到很好分散并且在铝带之间分布均匀，纤维与铝带结合紧密。

(3)本发明可以很方便的通过改变起始金属箔材厚度、箔材类型、陶瓷纤维种类来制备其他纤维-金属预制带材，为制造连续纤维增强轻金属基复合材料与相关零部件提供高性能连续陶瓷纤维原材料。

本发明所具有的实质性特点和显著的进步为：

(1)本发明所设定的工艺参数有利于陶瓷纤维与基体的结合，并且在避免纤维受到损伤的前提下，通过超声波振动将纤维分散、均匀分布，与直接人工铺放陶瓷纤维制备的复合材料与零部件相比，可解决束状连续纤维难以分散及分布不均等问题，降低纤维损伤，改善界面结合情况。

(2)本发明制备的纤维-金属预制带，以其特殊的带状结构可直接用于连续纤维增强复合材料与结构的制造，通过纤维预制带的缠绕和编制等工艺，将连续陶瓷纤维铺放于复合材料及其零部件中，由于相关制品中的纤维分散及分布情况得到改善，可有效提高复合材料和相关零部件的机械性能。

(3)束状陶瓷纤维均布铝带材经过多次试验，纤维在铝带之间分散效果很好、分布均匀，有效地降低了纤维损伤，铝带之间结合紧密，无明显界面，纤维与铝带之间呈现良好的结合，界面结合情况良好。

(4)本发明使用来源广泛的商用金属箔材(铝箔)，复合材料制备过程中常温、无毒、节能环保，且工艺简单易行，成本低。

(5)本发明虽然通过SiC和Al₂O₃纤维铝带材提出，但是通过改变和优化工艺参数，可以推广应用到其他连续陶瓷纤维和其他轻金属带材的制造。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是实施例1中SiC纤维均布Al带材的显微结构(SiC纤维已被分散且均匀分布于两层铝带中，界面结合良好)。

图3是实施例1中SiC纤维均布Al带材的界面结构(SiC纤维与基体之间的界面无缺陷，界面结合良好，两层铝带材之间的界面在扫描电子显微镜下已经难以辨别)。

图4是实施例2中Al₂O₃纤维均布Al带材的显微结构(Al₂O₃纤维已被分散且均匀分布在两层铝带中，界面结合良好)。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。所用纤维原材料为束状SiC、Al₂O₃陶瓷纤维；所用金属箔材为1100商用铝，其化学成分为：铝(Al)：99.00，硅(Si)+铁(Fe)0.95，铜(Cu)0.05～0.20，锌(Zn)0.10，锰(Mn)0.05。

实施例1

将连续束状SiC陶瓷纤维进行预处理，将纤维放置于箱式电阻炉中，保温温度为650～700℃，保温时间为1.5h去除纤维表面的热分解涂层，再用酒精清洗纤维表面，然后用超声波清洗机对纤维进行清洗(时间为15-20min)，温度30℃～40℃，去除剩余的涂层颗粒和杂质，最后将纤维烘干。将0.15mm的Al箔切割成24mm×800mm的铝带材。经干燥处理后按照“Al带-SiC束状纤维-Al带”顺序叠放，束状SiC纤维沿铝带长度方向铺放。

利用超声波固结装置对铝带进行固结，进行纤维均布铝带材的制备：在常温下，超声波固结装置压头压力为125～150kgf，超声波振幅为20～50μm，压头运动速度为30～50mm/s。

本实施例所得的SiC纤维均布铝带材的金相照片(附图2)，扫描电子显微镜照片(附图3)，放大倍数均为1000倍，可以看出，SiC纤维分散且均匀分布于铝基体中，铝带之间无明显界面，SiC纤维与铝基体之间界面结合良好，纤维保留较完整。

实施例2

将连续束状Al₂O₃陶瓷纤维进行预处理，将纤维放置于箱式电阻炉中，保温温度为600～650℃，保温时间为0.5h去除纤维表面的热分解涂层，再用酒精清洗纤维表面，然后用超声波清洗机对纤维进行清洗(时间为15-20min)，温度30℃～40℃，去除剩余的涂层颗粒和杂质，最后将纤维烘干。将0.15mm的Al箔切割成24mm×800mm的铝带材。经干燥处理后按照“Al带-Al₂O₃束状纤维-Al带”顺序叠放，束状Al₂O₃纤维沿铝带长度方向铺放。

利用超声波固结装置对铝带进行固结，进行纤维均布铝带材的制备：在常温下，超声波固结装置压头压力为125～150kgf，超声波振幅为20～40μm，压头运动速度为30～50mm/s。

本实施例所得的Al₂O₃纤维均布铝带材的金相照片(附图4)，放大倍数为1000倍，可以看出，Al₂O₃纤维分散且均匀分布于铝基体中，铝带之间无明显界面，Al₂O₃纤维与铝基体之间界面结合良好。

通过实施例1和实施例2的比较可以看出，通过控制超声波压头的压力及超声波振幅，压头运动速度，采用优化的固结成形工艺可以使束状连续陶瓷纤维分散并均匀分布于铝基体中，界面结合良好好，从而改善连续陶瓷纤维在复合材料基体中的分布情况。因此本发明可以根据对连续纤维增强轻金属基复合材料与零部件的制备要求，通过超声波固结方法，制备出纤维均布铝带材，以作为陶瓷纤维增强轻金属基复合材料及相关制品的原材料。

Claims (3)

1.一种连续陶瓷纤维均布铝带材超声波固结快速制造方法，其特征是：

(1)将束状陶瓷纤维放置于箱式电阻炉中进行保温处理，保温温度为600～700℃，保温时间为0.5h～1.5h去除束状陶瓷纤维表面的热分解涂层；

(2)用酒精清洗束状陶瓷纤维表面，然后用超声波清洗机对束状陶瓷纤维进行清洗，时间为15～20min，温度30℃～40℃，去除剩余的涂层颗粒和杂质；

(3)将清洗过的束状陶瓷纤维烘干；

(4)将厚度为0.15mm的1100铝材切割成24mm×800mm的铝带，按照“铝带-束状陶瓷纤维铝带”顺序叠放，最后利用超声波固结装置进行固结。

2.根据权利要求1所述的连续陶瓷纤维均布铝带材超声波固结快速制造方法，其特征是所述利用超声波固结装置进行固结的主要工艺参数为：在常温下，超声波固结装置压头压力为125～150kgf，超声波振幅为20～40μm，压头运动速度为30～50mm/s。

3.根据权利要求1或2所述的连续陶瓷纤维均布铝带材超声波固结快速制造方法，其特征是所述束状陶瓷纤维为束状SiC陶瓷纤维或束状Al₂O₃陶瓷纤维。