CN108251768B - 一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置及方法，该装置包括机械搅拌系统、气体保护系统、运动机构和熔炼保温系统，在正多边形坩埚内，对熔融铝液中短碳纤维施加机械搅拌，目的是使短碳纤维分散均匀，克服在传统圆形坩埚内机械搅拌制备短碳纤维铝基复合材料方法存在流场单一，短碳纤维呈现各向同性，分布不均匀易团聚的问题。采用本发明专利的工艺方法，利用正多边形坩埚机械搅拌制备短碳纤维铝基复合材料，短碳纤维呈现各向异性，分布均匀，短碳纤维损伤小，短碳纤维完整度高，操作简单利于实现工业化生产的优点。

Description

一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置及方法

技术领域

本发明属于铝基复合材料技术领域，涉及一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置及方法。该制备装置及方法同样适用于铜及铜合金、镁及镁合金等碳纤维增强金属基复合材料的制备。

背景技术

短碳纤维增强铝基复合材料由于具有高比强度、高比刚度、高抗拉强度等优异性能，在汽车制造以及航天航空行业受到更多关注。然而目前诸多制备短碳纤维铝基复合材料使用的坩埚形状大部分为圆柱形，而搅拌工艺的主要原理是通过搅拌流场来将短碳纤维分散，而圆柱形坩埚内搅拌时的流场很单一，呈现各向同性的特征，造成复合材料中存在短碳纤维四周分布多，中间分布少的不均匀现象，特别是微观分布不均发生团聚，团聚颗粒之间的间隙如得不到铝液的补充就形成空隙，进而影响复合材料的组织性能。

短碳纤维增强铝基复合材料的制备方法主要集中在粉末冶金法、压力浸渗法和挤压铸造法。搅拌铸造法由于其工艺简单、成本低廉，越来越受到重视。利用机械搅拌法制备的短碳纤维增强铝基复合材料的力学性能得到了提高。所制成的复合材料铸锭经重熔后，可精密铸造、砂型铸造成各种复杂形状的零件，也可挤压成各种型材、管材、棒材以及轧制成板材，锻造成零件。它是目前最成熟、最具竞争力、也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要方法。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种利用正多边形坩埚机械搅拌制备碳纤维铝基复合材料的装置及制备方法，目的在于克服现在使用圆柱形坩埚内部流场单一、纤维分布不均匀的缺点，提供一种简单、高效、可使纤维分散均匀的短碳纤维铝基复合材料的制备装置和方法，以获得高质量短碳纤维铝基复合材料。

技术方案：

一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置，其特征在于：包括机械搅拌系统、气体保护系统、运动机构和熔炼保温系统；熔炼保温系统包括熔炼保温炉和正多边形坩埚，熔炼保温炉内设有正多边形坩埚；机械搅拌系统包括搅拌电机、支撑座、套筒、搅拌轴和搅拌桨，搅拌电机固定于支撑座上，套筒连接在支撑座上，搅拌轴上端与搅拌电机相连并固定在套筒内，搅拌轴下端固定于搅拌桨内；气体保护系统包括导气管、保护筒和高压气体储存装置，在熔炼保温炉内于正多边形坩埚外设有保护筒，高压气体储存装置出气口连通导气管，导气管的另一端位于保护筒内；运动机构包括吊车、驱动电机、金属杆和底座，驱动电机安装在吊车上，吊车与金属杆连接，金属杆的下端插入底座，驱动电机控制吊车上下位移进而控制金属杆在底座内上下移动，从而带动搅拌桨上下运动。

所述保护筒为圆筒状保护装置。

所述搅拌轴通过耐高温六角螺钉固定于搅拌桨内。

所述正多边形坩埚内边长与搅拌桨直径的比值为1.375~1.5，搅拌桨能够在铝液范围内的任何位置上下移动。

一种利用正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：往正多边形坩埚内放入铝块，将铝块熔化成铝液，然后通过气体保护系统通入一定量的惰性保护气体，将短碳纤维缓慢加入铝液中保温一段时间，之后通过运动机构上下运动带动搅拌桨在铝液范围内的任一位置上下移动，以一定的搅拌速率搅拌一定时间，从而使短碳纤维分散，铝液填充到短碳纤维间隙并将短碳纤维均匀包裹，将机械搅拌系统移出铝液，制备成短碳纤维铝基复合材料。

所述短碳纤维的长径比为290~1500，短碳纤维按铝液和短碳纤维总体积的0.5%~50%加入；短碳纤维的加入方式为在惰性气体保护下直接将短碳纤维缓慢加入铝液中或将短碳纤维和铝粉间隔铺层放入模具中，经10MPa冷压，抽真空30min至550℃，然后经40MPa热压，最后保温30min制成块状加入铝液中；加入短碳纤维后盖上炉盖保温时长为10s~30min。

所述搅拌桨的形状为锚式、浆式、框式或螺旋式，搅拌桨转速为200~2000r/min，搅拌时间为10~20min，搅拌温度为520℃至铝合金液相线以上250℃。

优点及效果：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1. 利用正多边形坩埚通过机械搅拌进行熔炼，可以使得熔体内部同时存在很多流场，从而使得短碳纤维呈现各向异性的特征，在熔体内分布均匀，使短碳纤维均匀分散，而且极大程度上保证了短碳纤维的完好，降低生产成本和生产周期，达到改善短碳纤维铝基复合材料组织性能的目的；

2. 制备装置采用正多边形坩埚，再通过机械搅拌进行熔炼，大幅简化了短碳纤维铝基复合材料的制备过程，极大的降低了短碳纤维铝基复合材料的制备成本，提高了短碳纤维铝基复合材料的的制备效率；

3. 制备装置采用正多边形坩埚通过机械搅拌进行熔炼，可以使得熔体内部同时存在很多流场，从而使得短碳纤维在熔体内分布均匀，呈现各向异性的特征，铝液可以浸渗到短碳纤维与短碳纤维的间隙，由于圆柱形坩埚内流场单一，造成复合材料中存在短碳纤维呈现各向同性，四周分布多，中间分布少的不均匀现象，特别是微观分布不均发生团聚，团聚颗粒之间的间隙如得不到铝液的补充就形成空隙，反而作为缺陷降低复合材料组织性能，因而本发明使用正多边形坩埚制备的短碳纤维铝基复合材料相比于常规坩埚制备的短碳纤维铝基复合材料而言，组织性能显著改善。

附图说明

图1为本发明所述利用正多边形坩埚机械搅拌制备碳纤维铝基复合材料的装置；

图2为在扫描电镜下使用正多边形坩埚机械搅拌制备的体积分数为0.5%的短碳纤维铝基复合材料局部组织图片；

图3为在扫描电镜下使用正多边形坩埚机械搅拌制备的体积分数为25%的短碳纤维铝基复合材料局部组织图片；

图4为在扫描电镜下使用正多边形坩埚机械搅拌制备的体积分数为50%的短碳纤维铝基复合材料局部组织图片。

附图标记说明：1.搅拌电机、2.金属杆、3.套筒、4.耐高温六角螺钉、5.搅拌轴、6.导气管、7.保护筒、8.正多边形坩埚、9.熔炼保温炉、10.铝液、11.底座、12.高压气体储存装置、13.搅拌桨、14.短碳纤维、15.支撑座、16.驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明提供一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置，包括机械搅拌系统、气体保护系统、运动机构和熔炼保温系统；熔炼保温系统包括熔炼保温炉9和正多边形坩埚8，熔炼保温炉9内设有正多边形坩埚8；机械搅拌系统包括搅拌电机1、支撑座15、套筒3、搅拌轴5和搅拌桨13，搅拌电机1固定于支撑座15上，套筒3连接在支撑座15上，搅拌轴5上端与搅拌电机1相连并固定在套筒3内，搅拌轴5下端通过耐高温六角螺钉4固定于搅拌桨13内；正多边形坩埚8内边长与搅拌桨13直径的比值为1.375~1.5，搅拌桨13能够在铝液范围内的任何位置上下移动。气体保护系统包括导气管6、保护筒7和高压气体储存装置12，在熔炼保温炉9内于正多边形坩埚8外设有保护筒7，保护筒7为圆筒状保护装置，高压气体储存装置12出气口连通导气管6，导气管6的另一端位于保护筒7内；运动机构包括吊车、驱动电机16、金属杆2和底座11，驱动电机16安装在吊车上，吊车与金属杆2连接，金属杆2的下端插入底座11，驱动电机16控制吊车上下位移进而控制金属杆2在底座11内上下移动，从而带动搅拌桨13上下运动。

利用正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置制备短碳纤维铝基复合材料的方法，往正多边形坩埚8内放入铝块，将铝块熔化成铝液10，然后通过气体保护系统通入一定量的惰性保护气体，将短碳纤维14缓慢加入铝液10中保温一段时间，之后通过运动机构上下运动带动搅拌桨13在铝液范围内的任一位置上下移动，以一定的搅拌速率搅拌一定时间，从而使短碳纤维14分散，铝液10填充到短碳纤维14间隙并将短碳纤维14均匀包裹，将机械搅拌系统移出铝液10，制备成短碳纤维铝基复合材料。

所述短碳纤维14的长径比为290~1500，短碳纤维14按铝液10和短碳纤维14总体积的0.5%~50%加入；短碳纤维14的加入方式为在惰性气体保护下直接将短碳纤维14缓慢加入铝液10中或将短碳纤维14和铝粉间隔铺层放入模具中，经10MPa冷压，抽真空30min至550℃，然后经40MPa热压，最后保温30min制成块状加入铝液10中；加入短碳纤维后盖上炉盖保温时长为10s~30min。

所述搅拌桨13的形状为锚式、浆式、框式或螺旋式，搅拌桨13转速为200~2000r/min，搅拌时间为10~20min，搅拌温度为520℃至铝合金液相线以上250℃

实施例1

将准备好的铝块放入正多边形坩埚内进行熔炼，待铝块完全熔化成铝液。在惰性气体保护下将长径比为1500、体积分数为0.5%的短碳纤维缓慢加入铝液后保温10s，用坩埚内边长与搅拌桨直径的比值为1.375的框式搅拌桨以转速2000r/min的速度放入温度在铝合金液相线以上250℃的熔融铝合金中上下移动进行搅拌，搅拌10min后将制备好的短碳纤维铝基复合材料移出铝液并冷却到室温。复合材料中短碳纤维分散均匀且没有观察到明显缺陷。

如图2所示，图中黑色圆点状和长条状组织均为短碳纤维，短碳纤维周围分布白色组织为Si相，灰色部分为铝合金基体。由图中可以观察到短碳纤维呈现各向异性，分散均匀，没有出现团聚现象，同时基体将短碳纤维包裹良好，图中没有观察到缺陷，短碳纤维形貌圆整且完好。

实施例2：

将准备好的铝块放入正多边形坩埚内进行熔炼，待铝块完全熔化成铝液后，在惰性气体保护下将长径比为800、体积分数为25%的短碳纤维和铝粉经10MPa冷压，抽真空30min至550℃，然后经40MPa热压，最后保温30min制成块状加入铝液，加入后盖上炉盖保温15min。用坩埚内边长与搅拌桨直径的比值为1.4的锚式搅拌桨以转速900r/min的速度放入温度为600℃的熔融铝合金中上下移动进行搅拌，搅拌15min后将制备好的短碳纤维铝基复合材料移出铝液并冷却到室温。复合材料中短碳纤维分散均匀且没有观察到明显缺陷。

如图3所示，图中黑色圆点状和长条状组织均为短碳纤维，短碳纤维周围分布白色组织为Si相，灰色部分为铝合金基体。从图中可以明显观察到各个方向的短碳纤维数量均增多，由于纤维体积分数增大，从而形成如图3所示的形貌。图中短碳纤维呈现各向异性，分散均匀，没有出现团聚现象，同时基体将短碳纤维包裹良好，图中没有观察到缺陷，基体组织均匀没有出现偏析现象。

实施例3：

将准备好的铝块放入正多边形坩埚内进行熔炼，待铝块完全熔化成铝液。在惰性气体保护下将长径比为290、体积分数为50%的短碳纤维缓慢加入铝液后保温30min，用坩埚内边长与搅拌桨直径的比值为1.5的框式搅拌桨以转速200r/min的速度放入温度在铝合金液相线以上250℃的熔融铝合金中上下移动进行搅拌，搅拌20min后将制备好的短碳纤维铝基复合材料移出铝液并冷却到室温。复合材料中短碳纤维分散均匀且没有观察到明显缺陷。

如图4所示，图中黑色圆点状和长条状组织均为短碳纤维，短碳纤维周围分布白色组织为Si相，灰色部分为铝合金基体。图中可以看到短碳纤维分散的方向更多，数量也更大，这是由于短碳纤维的体积分数达到了50%。从图中可以观察到短碳纤维呈现各向异性，分散均匀，没有出现团聚现象，同时基体将短碳纤维包裹良好，图中没有观察到缺陷，基体组织均匀没有出现偏析现象。

Claims (6)

1.一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置，其特征在于：包括机械搅拌系统、气体保护系统、运动机构和熔炼保温系统；熔炼保温系统包括熔炼保温炉和正多边形坩埚，熔炼保温炉内设有正多边形坩埚；机械搅拌系统包括搅拌电机、支撑座、套筒、搅拌轴和搅拌桨，搅拌电机固定于支撑座上，套筒连接在支撑座上，搅拌轴上端与搅拌电机相连并固定在套筒内，搅拌轴下端固定于搅拌桨内；气体保护系统包括导气管、保护筒和高压气体储存装置，在熔炼保温炉内于正多边形坩埚外设有保护筒，高压气体储存装置出气口连通导气管，导气管的另一端位于保护筒内；运动机构包括吊车、驱动电机、金属杆和底座，驱动电机安装在吊车上，吊车与金属杆连接，金属杆的下端插入底座，驱动电机控制吊车上下位移进而控制金属杆在底座内上下移动，从而带动搅拌桨上下运动；所述正多边形坩埚内边长与搅拌桨直径的比值为1.375~1.5，搅拌桨能够在铝液范围内的任何位置上下移动。

2.根据权利要求1所述的正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置，其特征在于：所述保护筒为圆筒状保护装置。

3.根据权利要求1所述的正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置，其特征在于：所述搅拌轴通过耐高温六角螺钉固定于搅拌桨内。

4.一种利用如权利要求1所述的正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：往正多边形坩埚内放入铝块，将铝块熔化成铝液，然后通过气体保护系统通入一定量的惰性保护气体，将短碳纤维缓慢加入铝液中保温一段时间，之后通过运动机构上下运动带动搅拌桨在铝液范围内的任一位置上下移动，以一定的搅拌速率搅拌一定时间，从而使短碳纤维分散，铝液填充到短碳纤维间隙并将短碳纤维均匀包裹，将机械搅拌系统移出铝液，制备成短碳纤维铝基复合材料。

5.根据权利要求4所述的利用正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：所述短碳纤维的长径比为290~1500，短碳纤维按铝液和短碳纤维总体积的0.5%~50%加入；短碳纤维的加入方式为在惰性气体保护下直接将短碳纤维缓慢加入铝液中或将短碳纤维和铝粉间隔铺层放入模具中，经10MPa冷压，抽真空30min至550℃，然后经40MPa热压，最后保温30min制成块状加入铝液中；加入短碳纤维后盖上炉盖保温时长为10s~30min。

6.根据权利要求4所述的利用正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：所述搅拌桨的形状为锚式、浆式、框式或螺旋式，搅拌桨转速为200~2000r/min，搅拌时间为10~20min，搅拌温度为520℃至铝合金液相线以上250℃。