CN107313130A - 高硅铝钙增强纤维及其制备方法与铝钙超塑合金基复合铝 - Google Patents

高硅铝钙增强纤维及其制备方法与铝钙超塑合金基复合铝 Download PDF

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Abstract

本发明公开高硅铝钙增强纤维及其制备方法与铝钙超塑合金基复合铝。按重量百分比计，由89%‑98%的火成岩、1‑10%的氧化钙和1%的碳粉组成。本发明在天然高硅铝火成岩矿石基础上，通过引入氧化钙组分，生成一种非晶高硅铝钙增强纤维。所述非晶高硅铝钙增强纤维与铝钙超塑铝合金复合，增强材料中的硅、铝、钙组分，会和金属溶体发生分子融合，从而改善复合界面的结合牢度，即提高铝钙超塑合金基复合铝的强度。

Description

高硅铝钙增强纤维及其制备方法与铝钙超塑合金基复合铝
技术领域
本发明涉及铝基复合材料制备领域，尤其涉及一种非晶高硅铝钙增强纤维及其制备方法，以及采用该纤维增强的铝钙超塑合金基复合铝。
背景技术
铝材第一代是纯铝（1825年，丹麦奥斯特），第二代是合金铝（1903年，美国铝业公司），铝材第三代是陶瓷嵌合铝（1950s），第四代是非晶无机材料增强复合铝（2007，南京天淦新材料科技有限公司）。
复合铝比钢更轻、更强、更多、更耐磨、更防腐，可以用来替代钢材，减少机动车船的能耗。在用于替代汽车/轮船的钢铁外壳时，复合铝延展性能应尽量和钢材靠近。
由于复合铝增强材料，是一种高刚性的非晶无机材料。采用熔喷成形获得的基质材料为7050的航空复合铝，为了确保断裂延伸率落入4-5.5%的范围，其增强材料的添加量仅为3%左右。
因此，现有技术还有待于改进，在提高复合铝增强材料添加量的同时，使得复合铝仍保有较高断裂延伸率。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非晶高硅铝钙增强纤维及制备方法，并采用该纤维和高断裂延伸率的铝钙超塑合金复合。旨在提高复合界面亲和力（即拉伸强度）的同时，还确保复合铝有着较高的断裂延伸率。
本发明的技术方案如下：
一种非晶高硅铝钙增强纤维，其中，按重量百分比计，由89%-98%的火成岩、1-10%的氧化钙和1%的碳粉组成。
所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其中，按重量百分比计，由90%-95%的火成岩、4-9%的氧化钙和1%的碳粉组成。
所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其中，按重量百分比计，由90.1%的火成岩、8.9%的氧化钙和1%的碳粉组成。
所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其中，按重量百分比计，由94.3%的火成岩、4.7%的氧化钙和1%的碳粉组成。
所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其中，按重量百分比计，由93.74%的火成岩、5.26%的氧化钙和1%的碳粉组成。
所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其中，以火成岩为基准，所述火成岩所含氧化铁、氧化亚铁的总重量<3%，所述火成岩所含氧化硅、氧化铝的总重量>68%。
一种如上任一所述的非晶高硅铝钙增强纤维的制备方法，其中，包括步骤：
首先按照上述配方将火成岩、氧化钙和碳粉混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化钙和碳粉进行熔炼，得到熔体；
然后将熔体进行拉丝，得到非晶高硅铝钙增强纤维。
所述的非晶高硅铝钙增强纤维的制备方法，其中，具体包括步骤：
首先按照上述配方将火成岩、氧化钙和碳粉混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化钙和碳粉放入底插电极全电熔炉进行熔炼，得到熔体；
然后将溶体通过拉丝漏板进行拉丝，得到非晶高硅铝钙增强纤维。
一种铝钙超塑合金基复合铝，其中，由如上任一所述的非晶高硅铝钙增强纤维和铝钙超塑铝合金混合而成。
所述的铝钙超塑合金基复合铝，其中，所述铝钙超塑合金基复合铝的制备方法包括步骤：将短切好的非晶高硅铝钙增强纤维放入铝钙超塑铝合金溶液中，然后降温，再搅拌匀化，最后升温浇铸，得到铝钙超塑合金基复合铝；其中，所述非晶高硅铝钙增强纤维与铝钙超塑铝合金溶液的重量比为3:97。
有益效果：本发明在天然高硅铝火成岩矿石基础上，通过引入氧化钙组分，生成一种非晶高硅铝钙增强纤维。所述非晶高硅铝钙增强纤维与铝钙超塑铝合金复合，增强材料中的硅、铝、钙组分，会和金属溶体发生分子融合，从而增强复合界面的结合牢度，即增强铝钙超塑合金基复合铝的力学强度。
具体实施方式
本发明提供一种非晶高硅铝钙增强纤维及制备方法与铝钙超塑合金基复合铝，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种非晶高硅铝钙增强纤维，其中，按重量百分比计，由89%-98%的火成岩、1-10%的氧化钙和1%的碳粉组成。
与现有技术相比，本发明主要改进之处在于，在天然高硅铝火成岩矿石基础上，引入氧化钙组分，生成一种非晶高硅铝钙增强纤维。生成的所述非晶高硅铝钙增强纤维与铝钙超塑铝合金复合时，复合界面的基质和纤维对应元素会产生分子融合，从而增加界面的复合活性和结合牢度；其次，增强纤维引入氧化钙组分，能够有效地提高纤维强度。经测试发现，本发明所述非晶高硅铝钙增强纤维的抗拉强度可达至4000-6000MPa，而现有国产碳纤维稳定的抗拉强度仅为3500MPa。
优选地，所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其中，按重量百分比计，由90%-95%的火成岩、4-9%的氧化钙和1%的碳粉组成。在该配方下，非晶高硅铝钙增强纤维与铝钙超塑铝合金的复合界面相融性更佳，从而进一步增强铝钙超塑合金基复合铝的力学强度。
本发明中，以火成岩为基准，所述火成岩所含氧化铁、氧化亚铁的总重量<3%，所述火成岩所含氧化硅、氧化铝的总重量>68%。选择该火成岩，符合生产低铁非晶高硅铝钙增强纤维材料的充分条件。
优选地，所述氧化钙可以来源于方解石、石灰石、白垩或碳酸钙沉淀。换句话说，本发明可通过添加方解石、石灰石、白垩或碳酸钙矿石，引入所述氧化钙。
本发明还提供一种如上任一所述的非晶高硅铝钙增强纤维的制备方法，其中，包括步骤：
首先按照上述配方将火成岩、氧化钙和碳粉混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化钙和碳粉进行熔炼，得到熔体；
然后将熔体进行拉丝，得到非晶高硅铝钙增强纤维。
优选地，所述非晶高硅铝钙增强纤维的制备方法，具体包括步骤：
首先按照上述配方将火成岩、氧化钙和碳粉混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化钙和碳粉放入底插电极全电熔炉进行熔炼，得到熔体；
然后将溶体通过拉丝漏板进行拉丝，得到非晶高硅铝钙增强纤维。
优选地，本发明所述熔炼的温度为1600~1800℃，更优选温度为1700℃。
本发明制备得到的所述非晶高硅铝钙增强纤维的纤维长度为5~9毫米。
本发明还提供一种铝钙超塑合金基复合铝，其中，由如上任一所述的非晶高硅铝钙增强纤维和铝钙超塑铝合金混合而成。将所述非晶高硅铝钙增强纤维和铝钙超塑铝合金复合，可以获得界面融合性能优异的高强度的铝钙超塑合金基复合铝。经测试表明，本发明所述铝钙超塑合金基复合铝的室温环境断裂伸长率为5-8%，拉伸强度约240-300MPa；而未添加增强材料的推荐产品铝-5%钙-4.5%锌，其室温条件下强度平均值仅180MPa。
本发明所述铝钙超塑合金基复合铝的制备方法包括步骤：将短切好的非晶高硅铝钙增强纤维放入铝钙超塑铝合金溶液中（混合液中温度约700℃），然后降温（降低约5~50℃）以增加粘度，再用300~30000转/分钟的搅拌器搅拌匀化，搅拌时长为3~10分钟；最后升温（升温至初始温度，即700℃）浇铸，得到铝钙超塑合金基复合铝。
以铝钙超塑合金基复合铝为基准，所述非晶高硅铝钙增强纤维的重量占比为1%~30%，如3%，即所述非晶高硅铝钙增强纤维与铝钙超塑铝合金溶液的重量比为3:97。
本发明所述非晶高硅铝钙增强纤维与铝钙超塑铝合金复合之前，包括步骤：对所述非晶高硅铝钙增强纤维进行短切处理。具体为，将纤维长度为5~9毫米的非晶高硅铝钙增强纤维通过短切机剪切成纤维长度为1~3毫米的非晶高硅铝钙增强纤维。这是因为在该纤维长度范围内，非晶高硅铝钙增强纤维能够更好地通过高压喷粉机，射入铝钙超塑铝合金溶体。
本发明选用高延展性的超塑铝合金作为基质，在确保延展性的前提下，通过添加更多的增强纤维，从而提高了铝钙超塑合金基复合铝的强度。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种非晶高硅铝钙增强纤维，按重量百分比计由90.1%的火成岩，8.9%的氧化钙，1%的碳粉组成，所述火成岩所含氧化铁及氧化亚铁的总重量2.87%，且火成岩所含氧化硅63.93%、氧化铝17.51%和氧化镁1.32%，符合生产低铁非晶增强材料的充分条件。
辅料8.9%的氧化钙加火成岩中1.74%的氧化钙，合计氧化钙含量10.64%；由Ca和CaO分子量之比=40:56，换算得知非晶高硅铝钙增强纤维中钙含量为7.6%。研究表明，Al-7.6%Ca的铝钙超塑合金是最优配比，其最大伸长率为850%。
火成岩石子源自河北，其重量百分比在1%以上的组分如下: 氧化硅63.93%，氧化铝17.51%，氧化镁1.32%，氧化钾4.80%，氧化钙1.74%，氧化钠6.04%，氧化铁/氧化亚铁2.87%。
实施例2
铝钙系合金的子系列，铝钙锌合金由于可焊接、可表面处理、耐腐蚀性能优越，是用户的优先选择。研究表明含钙4.6%-5%、含锌4.6%-5%的铝钙锌合金冷加工变形性能最佳。
一种非晶高硅铝钙增强纤维，按重量百分比计由94.3%的火成岩，4.7%的氧化钙（加上火成岩中1.74%的氧化钙，换算得知非晶高硅铝钙增强纤维中钙含量为4.6%），1%的碳粉组成，所述火成岩所含氧化铁及氧化亚铁的总重量2.87%，且火成岩所含氧化硅63.93%、氧化铝17.51%和氧化镁1.32%，符合生产低铁非晶增强材料的充分条件。
火成岩石子源自河北，其重量百分比计在1%以上的组分如下: 氧化硅63.93%，氧化铝17.51%, 氧化镁1.32%，氧化钾4.80%，氧化钙1.74%，氧化钠6.04%，氧化铁/氧化亚铁2.87%。
实施例3
一种非晶高硅铝钙增强纤维，按重量百分比计由93.74%的火成岩，5.26%的氧化钙（加上火成岩中1.74%的氧化钙，换算得知非晶高硅铝钙增强纤维中钙含量为5%），1%的碳粉组成，所述火成岩所含氧化铁及氧化亚铁的总重量2.87%，且火成岩所含氧化硅63.93%、氧化铝17.51%和氧化镁1.32%，符合生产低铁非晶增强材料的充分条件。
火成岩石子源自河北，其重量百分比计在1%以上的组分如下: 氧化硅63.93%,氧化铝17.51%, 氧化镁1.32%，氧化钾4.80%，氧化钙1.74%，氧化钠6.04%，氧化铁/亚铁2.87%。
实施例4
将实施例1、2、3重量百分比的混合均匀的所述火成岩、氧化钙和碳粉分别用底插电极全电熔炉在1700℃的温度下进行熔炼，得到的熔体通过拉丝漏板进行拉丝，生产出纤维长度为5~9毫米，抗拉强度于4000-6000MPa范围内的非晶高硅铝钙增强纤维，再切割成1~3毫米的非晶高硅铝钙增强纤维。将1~3毫米的非晶高硅铝钙增强纤维通过高压喷雾器均匀喷射入铝液中，然后降温增粘，再用2000转/分钟的搅拌器搅拌6分钟至匀化。最后升温至初始温度，浇铸成复合铝，其室温环境断裂伸长率平均值为7%，拉伸强度平均值为280MPa，其中非晶高硅铝钙增强纤维和铝钙超塑铝合金的重量比例为3:97。
综上所述，本发明提供的一种非晶高硅铝钙增强纤维及制备方法与铝钙超塑合金基复合铝，本发明火成岩、氧化钙和碳粉的混合料采用底插电极全电熔炉熔炼，然后熔体通过拉丝漏板获得非晶高硅铝钙增强纤维。该非晶高硅铝钙增强纤维短切后和铝钙系超塑铝合金复合，从而获得界面融合性能优异的高强复合铝。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种非晶高硅铝钙增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由89%-98%的火成岩、1-10%的氧化钙和1%的碳粉组成。
2.根据权利要求1所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由90%-95%的火成岩、4-9%的氧化钙和1%的碳粉组成。
3.根据权利要求2所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由90.1%的火成岩、8.9%的氧化钙和1%的碳粉组成。
4.根据权利要求2所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由94.3%的火成岩、4.7%的氧化钙和1%的碳粉组成。
5.根据权利要求2所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由93.74%的火成岩、5.26%的氧化钙和1%的碳粉组成。
6.根据权利要求1所述的非晶高硅铝钙增强纤维，其特征在于，以火成岩为基准，所述火成岩所含氧化铁、氧化亚铁的总重量<3%，所述火成岩所含氧化硅、氧化铝的总重量>68%。
7.一种如权利要求1~6任一所述的非晶高硅铝钙增强纤维的制备方法，其特征在于，包括步骤：
首先按照上述配方将火成岩、氧化钙和碳粉混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化钙和碳粉进行熔炼，得到熔体；
然后将熔体进行拉丝，得到非晶高硅铝钙增强纤维。
8.根据权利要求7所述的非晶高硅铝钙增强纤维的制备方法，其特征在于，具体包括步骤：
首先按照上述配方将火成岩、氧化钙和碳粉混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化钙和碳粉放入底插电极全电熔炉进行熔炼，得到熔体；
然后将溶体通过拉丝漏板进行拉丝，得到非晶高硅铝钙增强纤维。
9.一种铝钙超塑合金基复合铝，其特征在于，由权利要求1~6任一所述的非晶高硅铝钙增强纤维和铝钙超塑铝合金混合而成。
10.根据权利要求9所述的铝钙超塑合金基复合铝，其特征在于，所述铝钙超塑合金基复合铝的制备方法包括步骤：将短切好的非晶高硅铝钙增强纤维放入铝钙超塑铝合金溶液中，然后降温，再搅拌匀化，最后升温浇铸，得到铝钙超塑合金基复合铝；其中，所述非晶高硅铝钙增强纤维与铝钙超塑铝合金溶液的重量比为3:97。
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