CN108588591B - 机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属基复合材料技术领域，涉及一种机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料的方法。该制备方法同样适用于铝合金、锌合金和铸铁等碳纤维增强金属基复合材料的制备。本方法解决了现有技术中坩埚内熔体达到稳态后，坩埚内流场单一，容易产生纤维分散不均匀，纤维分布取向单一，在熔体内部存在死区的问题；利用机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料，通过电磁与机械搅拌的协同作用使熔体内部流场变得复杂，从而达到纤维多取向分散。

Description

机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，特别涉及一种机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法。
背景技术
碳纤维增强金属基复合材料由于具有低密度、高强度、热物性好等优异的性能，在航空航天领域得到了一定的应用。然而无论作为结构材料还是功能材料短碳纤维增强体在基体中的分散问题都严重影响着复合材料的性能，并限制短碳纤维增强铝基复合材料的应用。
目前短碳纤维增强铝基复合材料的制备主要为粉末冶金法，半固态法和液态搅拌法。而半固态和粉末冶金法对碳纤维损伤极大，严重影响复合材料的性能。因此采用对纤维损伤小，操作简单以及适合工业化生产的液态搅拌法成为了应用较为广泛的工艺方案。但是刘野（机械搅拌法制备短碳纤维增强铝基复合材料的研究，学位论文，2016.1）描述的单纯的机械搅拌工艺方案在搅拌桨作用下，坩埚内熔体达到稳态后，坩埚内流场单一，容易产生纤维分散不均匀，纤维分布取向单一，在熔体内部存在死区的问题。因此增加熔体内部流场的复杂程度，对于纤维的分散有着严重的意义。
发明内容
发明目的：
本发明要解决的技术问题是克服现有液态机械搅拌法在熔体内部流场单一，纤维分布取向单一，提供一种简单高效的实现纤维在熔体中多取向分散的制备方法。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案实施的：
一种机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法，该方法包括以下步骤：
（1）将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为1mm~8mm，得到短碳纤维增强体；
（2）利用中频或高频感应熔炼炉熔化金属合金基体，使坩埚内的金属合金成为金属合金熔体；
（3）在惰性气体保护或真空条件下将短碳纤维增强体加入到坩埚内的金属合金熔体中，并保温2min~10min；
（4）不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内金属合金熔体中施加机械搅拌；
（5）机械搅拌2min~60min，混合分散完成，进行冷却。
所述步骤（2）中的，感应熔炼炉的输出频率为50Hz~500kHz，输出功率为5kW~50kW。
所述步骤（2）中坩埚是透磁性良好的坩埚。
所述步骤（4）中机械搅拌的搅拌桨形状为单层浆或多层浆，搅拌桨转速为400 r/min ~1500r/min。
该机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法适用于铝合金、铜合金、镁合金、锡合金、钛合金、锌合金和铸铁。
优点和效果：
1. 本发明采用在高频或中频感应熔炼炉中进行机械搅拌的方式，极大地降低了短碳纤维增强铝基复合材料制备的难度，同时缩减了制备成本，有利于实现大范围工业化应用。
2. 本发明采用机械结合电磁搅拌的方式制备短碳纤维增强金属基复合材料，可以增大熔体内部流场的复杂程度，并且可以消除在非轴对称型坩埚内部存在搅拌死区的问题，实现短碳纤维增强体在熔体内部的多取向均匀分布，有利于短碳纤维增强铝基复合材料性能的提升。
3. 利用机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料，由于电磁与机械搅拌的协同作用可以使熔体内部流场变得复杂，从而有利于纤维多取向分散。因此，利用该工艺方案不但可以简单高效的达到纤维在熔体中实现多取向分散的目的，而且液态搅拌法还能极大地保持纤维的完整性，提高碳纤维增强铝基复合材料力学性能。
附图说明
图1为在扫描电镜下短碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片。
具体实施方式
一种机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法，该方法包括以下步骤：
（1）将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为1mm~8mm，得到短碳纤维增强体；
（2）利用中频或高频感应熔炼炉熔化金属合金基体，使坩埚内的金属合金基体成为金属合金熔体；
（3）在惰性气体保护或真空条件下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的金属合金熔体中，并保温2分钟~10分钟；
（4）不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内金属合金熔体中施加机械搅拌；
（5）机械搅拌2分钟~60分钟，混合分散完成后，进行冷却。
所述步骤（2）中的，感应熔炼炉的输出频率为50Hz~500kHz，输出功率为5kW~50kW。
所述步骤（2）中坩埚是透磁性良好的坩埚。透磁性良好的坩埚可以选用镁砂坩埚、莫来石坩埚或刚玉坩埚。坩埚形状可以为轴对称坩埚也可以为非轴对称坩埚。非轴对称坩埚该方法同样适用。
所述步骤（4）中机械搅拌的搅拌桨形状为单层浆或多层浆，搅拌桨转速为400 r/min ~1500r/min。
该机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法适用于铝合金、铜合金、镁合金、锡合金、钛合金、锌合金和铸铁。
下面结合附图对本发明进行具体说明：
实施例1：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为1mm，得到短碳纤维增强体。在真空条件下将短切碳纤维加入到利用输出频率为500kHz，输出功率为5kW的高频感应熔炼炉熔化的坩埚内的铝熔体中，并保温2分钟。坩埚为透磁性良好的镁砂非轴对称坩埚。在不关闭感应熔炼炉电源情况下，在铝熔体中施加机械搅拌。搅拌桨的形状为多层浆，搅拌桨转速为1500r/min，机械搅拌2分钟，混合分散完成后，进行冷却。短碳纤维在基体中分布均匀，并且呈多取向的分布状态。
如图1所示，图中黑色圆点状组织为碳纤维，碳纤维周围分布白色组织为Si相，灰色部分为铝合金基体。由图中可以观察到碳纤维分散均匀，并且呈多取向分布状态，没有出现团聚现象。
实施例2：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为8mm，得到短碳纤维增强体。在惰性气体保护条件下将短切碳纤维加入到利用输出频率为50Hz，输出功率为50kW的中频感应熔炼炉熔化的坩埚内的铝熔体中，并保温10分钟。坩埚为透磁性良好的刚玉轴对称型坩埚。在不关闭感应熔炼炉电源情况下，在铝熔体中施加机械搅拌。搅拌桨的形状为单层浆，搅拌桨转速为400r/min，机械搅拌60分钟，混合分散完成后，进行冷却。短碳纤维在基体中分布均匀，并且呈多取向的分布状态。
实施例3：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为4mm，得到短碳纤维增强体；
利用感应熔炼炉熔化锌合金基体，使坩埚内的金属合金基体成为锌合金熔体；其中感应熔炼炉的输出频率为100kHz，输出功率为5kW；坩埚为透磁性良好的莫来石轴对称型坩埚；
在惰性气体保护下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的锌合金熔体中，并保温10分钟；
不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内锌合金熔体中施加机械搅拌；搅拌桨的形状为单层浆，搅拌桨转速为1000r/min；
机械搅拌30分钟，混合分散完成后，进行冷却。
实施例4：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为6mm，得到短碳纤维增强体；
利用感应熔炼炉熔化锌合金基体，使坩埚内的金属合金基体成为锌合金熔体；其中感应熔炼炉的输出频率为300kHz，输出功率为10kW；坩埚为透磁性良好的莫来石非轴对称型坩埚；
在真空条件下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的锌合金熔体中，并保温5分钟；
不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内锌合金熔体中施加机械搅拌；搅拌桨的形状为多层浆，一般为三层最佳，搅拌桨转速为1500r/min；
机械搅拌15分钟，混合分散完成后，进行冷却。
实施例5：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为3mm，得到短碳纤维增强体；
利用感应熔炼炉熔化铸铁基体，使坩埚内的金属合金基体成为铸铁熔体；其中感应熔炼炉的输出频率为10kHz，输出功率为30kW；坩埚为透磁性良好的镁砂轴对称型坩埚；
在惰性气体保护条件下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的铸铁熔体中，并保温8分钟；
不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内铸铁熔体中施加机械搅拌；搅拌桨的形状为单层浆，搅拌桨转速为800r/min；
机械搅拌45分钟，混合分散完成后，进行冷却。
实施例6：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为2mm，得到短碳纤维增强体；
利用感应熔炼炉熔化铸铁基体，使坩埚内的金属合金基体成为铸铁熔体；其中感应熔炼炉的输出频率为400kHz，输出功率为40kW；坩埚为透磁性良好的刚玉非轴对称型坩埚；
在真空条件下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的铸铁熔体中，并保温4分钟；
不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内铸铁熔体中施加机械搅拌；搅拌桨的形状为四层浆，搅拌桨转速为1200r/min；
机械搅拌20分钟，混合分散完成后，进行冷却。
实施例7：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为5mm，得到短碳纤维增强体；
利用感应熔炼炉熔化铜合金基体，使坩埚内的金属合金基体成为铜合金熔体；其中感应熔炼炉的输出频率为200kHz，输出功率为15kW；坩埚为透磁性良好的坩埚；
在惰性气体保护条件下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的铜合金熔体中，并保温6分钟；
不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内铜合金熔体中施加机械搅拌；搅拌桨的形状为双层浆，搅拌桨转速为1100r/min；
机械搅拌10分钟，混合分散完成后，进行冷却。
实施例8：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为7mm，得到短碳纤维增强体；
利用感应熔炼炉熔化镁合金基体，使坩埚内的金属合金基体成为镁合金熔体；其中感应熔炼炉的输出频率为5kHz，输出功率为30kW；坩埚为透磁性良好的坩埚；
在惰性气体保护条件下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的镁合金熔体中，并保温3分钟；
不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内镁合金熔体中施加机械搅拌；搅拌桨的形状为多层浆，搅拌桨转速为700r/min；
机械搅拌30分钟，混合分散完成后，进行冷却。
实施例9：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为8mm，得到短碳纤维增强体；
利用感应熔炼炉熔化锡合金基体，使坩埚内的金属合金基体成为锡合金熔体；其中感应熔炼炉的输出频率为50kHz，输出功率为12kW；坩埚为透磁性良好的坩埚；
在真空条件下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的锡合金熔体中，并保温7分钟；
不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内锡合金熔体中施加机械搅拌；搅拌桨的形状为多层浆，搅拌桨转速为1100r/min；
机械搅拌35分钟，混合分散完成后，进行冷却。
实施例10：
将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为3mm，得到短碳纤维增强体；
利用感应熔炼炉熔化钛合金基体，使坩埚内的金属合金基体成为钛合金熔体；其中感应熔炼炉的输出频率为150kHz，输出功率为18kW；坩埚为透磁性良好的坩埚；
在惰性气体保护条件下将短碳纤维增强体，加入到坩埚内的钛合金熔体中，并保温9分钟；
不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内钛合金熔体中施加机械搅拌；搅拌桨的形状为单层浆，搅拌桨转速为1400r/min；
机械搅拌55分钟，混合分散完成后，进行冷却。

Claims (2)

1.一种机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）将碳纤维剪成短切碳纤维，碳纤维长度为6-8mm，得到短碳纤维增强体；
（2）利用中频或高频感应熔炼炉熔化金属合金基体，使坩埚内的金属合金成为金属合金熔体；感应熔炼炉的输出频率为50Hz~500kHz，输出功率为18-50kW；
（3）在惰性气体保护或真空条件下将短碳纤维增强体加入到坩埚内的金属合金熔体中，并保温5-7 min；
（4）不关闭感应熔炼炉电源，在坩埚内金属合金熔体中施加机械搅拌；搅拌桨转速为1500 r/min；坩埚为透磁性良好的莫来石非轴对称坩埚；
（5）机械搅拌2min～15min，混合分散完成，进行冷却；短碳纤维在基体中分布均匀，并且呈多取向的分布状态。
2.根据权利要求1所述的机械结合电磁搅拌制备短碳纤维增强金属基复合材料方法，其特征在于：所述步骤（4）中机械搅拌的搅拌桨形状为单层浆或多层浆。
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