CN108823514A - 一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法与应用 - Google Patents

一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法与应用，属于复合材料制备技术领域。本发明的制备方法通过羟乙基纤维素溶于水中形成的胶体为分散液，将表面改性的碳纤维与碳化硅颗粒均匀分散于铝粉中，再通过快速过滤胶体溶液得到三者混合均匀的粉体，然后通过粉末冶金的方法，将粉体热压成复合材料。该方法制备过程简单，制备的复合材料质地轻，抗拉、抗弯强度大，硬度也较高，能够很好应用于汽车发动机活塞、连杆上。

Description

一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法与 应用
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法。
背景技术
碳纤维具有低密度，高强度、高模量等特性，铝作为一种常用金属具有密度低，导电、导热性能好，断裂韧性高，抗腐蚀性能好等特点。将碳纤维应用于增强铝基体制备的复合材料具有轻质，高的比强度、比模量，耐腐蚀等特性。碳化硅具有高的硬度、高模量，低热膨胀等优点，在碳纤维增强铝基复合材料中加入一定量的碳化硅颗粒，能够进一步改善其性能，开拓碳纤维增强铝基复合材料的应用范围。碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料可应用于汽车发动机活塞、连杆，飞机上的货舱桁架，卫星导波管，天线骨架等领域。
在碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料制备过程中主要存在一些关键性问题，首先是碳纤维与碳化硅颗粒在铝基体中分散问题，碳纤维由于具有较大的比表面积和较高的长径比，导致纤维之间受较强范德华力影响，使得碳纤维很容易团聚且难于分散，碳化硅颗粒粒径一般为微米或纳米级，具有较高的表面能，在铝基体中也很难分散，其次碳纤维与铝基体存在着严重界面反应问题。羟乙基纤维素的水溶液能够形成一种胶体，这种胶体能够有效的分散碳纤维与碳化硅颗粒。碳纤维表面处理能够避免纤维与铝基体之间严重化学反应。
发明内容
本发明的目的通过胶体分散与过滤的方法，克服了碳纤维与碳化硅颗粒在铝基体中分散难的问题，制备出一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料制备方法与应用。
一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，步骤如下：
步骤1，对碳纤维表面进行处理；
步骤2，将处理好的碳纤维剪切为短纤维；
步骤3，将羟乙基纤维素溶于蒸馏水中，机械搅拌2-3小时，静置12小时待其稳定形成一种胶体；
步骤4，将短纤维置于胶体中，机械搅拌1-2小时，使短纤维均匀分散于胶体中，得A胶体；再将碳化硅颗粒和铝粉置于胶体中，搅拌1小时使其均匀混合，得B胶体；最后A胶体和B胶体混合，搅拌30分钟，混合均匀，其中，胶体的质量分数为78％-87％，铝粉的质量分数为10％-14％,碳化硅颗粒的质量分数1.5％-4％，碳纤维的质量分数1.5％-4％；
步骤5，将步骤4得到的混合胶体置于过滤管中，控制混合溶液体积与过滤管总体积比为1:10-1:20，快速过滤掉胶体得到混合均匀粉体。
步骤6，将步骤5得到的混合粉体置于模具中，在真空条件下加压烧结，烧结温度600℃-700℃，所加压力10-30Mpa，保温时间5-30min，得到碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料。
步骤1中所述的碳纤维表面处理，为纤维表面电镀铜涂层、镍涂层或表面石墨化。
所述的碳纤维表面电镀铜涂层的电镀液：硫酸：120g/1L；五水硫酸铜：150g/1L；氯化铜：0.4g/1L；甲基紫：0.03g/1L；聚二硫二丙烷磺酸钠：0.03g/1L；OP乳化剂：0.8g/1L；电流密度3A/dm2,电镀时间5min。
所述的碳纤维表面电镀镍涂层的电镀液：硫酸镍：150g/1L；硼酸：70g/1L，电流密度2A/dm2,电镀时间5min。
所述的碳纤维表面石墨化处理工艺为在真空条件下，在高温1500℃-2000℃对碳纤维处理1-2小时。
步骤2中所提到的短纤维长度1-3mm。
步骤3中所提到的羟乙基纤维素质量分数0.4％-1％。
步骤4中所提到的碳化硅颗粒粒径为1-10微米，铝粉粒径1-100微米。
步骤4中所提到的铝粉为纯铝粉或铝合金粉。
本发明的有益效果：本发明通过胶体分散与过滤的方法能够得到各相均匀分散的混合粉体，解决了碳纤维与碳化硅颗粒在铝基体中分散难的问题，再通过真空粉末冶金的方法制备出碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料，该复合材料能够同时具有碳纤维、碳化硅、铝的优异性能，具有高的比强度，比模量，耐腐蚀，耐磨损，低的热膨胀等优异性能，能够很好应用于汽车发动机活塞、连杆上。
附图说明
图1为实施例中获得的碳纤维表面铜涂层的扫描电子显微图。
图2为实施例中通过胶体分散过滤获得的混合粉体的扫描电子显微图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料制备方法，包括以下步骤：
(1)对碳纤维进行除胶和活化，将碳纤维置入马弗炉中，在400℃条件下灼烧30min。
(2)采用电镀法在碳纤维表面制备铜涂层，首先配置电镀液，将硫酸120g；五水硫酸铜：150g；氯化铜：0.4g；甲基紫：0.03g；聚二硫二丙烷磺酸钠：0.03g；OP乳化剂：0.8g，溶于1L蒸馏水中充分搅拌，其次将处理好碳纤维置于电镀液中在电流密度为3A/dm2条件下进行电镀，电镀时间5min。
(3)将电镀好的碳纤维在80℃真空条件下烘干，裁剪成1-2mm短纤维。
(4)配置胶体，将0.4g羟乙基纤维素溶于100g水中搅拌2h,静置12h,形成一种稳定的胶体。
(5)通过胶体对碳化硅颗粒，铝粉，碳纤维进行均匀混合，首先将剪切好的碳纤维溶于60ml胶体中，搅拌1h,使碳纤维均匀分散于胶体中，接下来将粒径为5μm碳化硅颗粒溶于剩下40ml胶体中，搅拌30min,使碳化硅颗粒均匀分散胶体中，然后再加入粒径20μm-80μm纯铝粉，搅拌30min,使碳化硅颗粒与铝粉混合均匀，最后将混合好的碳化硅与铝粉加入到分散好的碳纤维中搅拌30min,使三者混合均匀，其中碳化硅，铝粉，碳纤维体积分数分别为5％，88％，7％。
(6)过滤胶体，将分散好的粉体溶液倒入多个底部带有石膏的玻璃管中，快速过滤掉胶体得到混合均匀粉体，其中玻璃管容积100ml,每管中粉体溶液10ml。
(7)制备复合材料，将得到的粉体置于模具中，在真空条件下加压烧结，烧结温度670℃，所加压力25Mpa，保温时间25min。
从图1碳纤维表面铜涂层的扫描电子显微图可以看出获得铜涂层均匀且与碳纤维结合紧密。
从图2通过胶体分散过滤获得的混合粉体的扫描电子显微图可以看出碳纤维、碳化硅与铝粉混合均匀。
对实施例1中的得到的复合材料进行了测试，得到的数据如下表所示
密度(g/cm3) 抗拉强度(Mpa) 抗弯强度(Mpa) 硬度(Hv)
2.66 164 386 110
综上所述，本发明过程简单，制备复合材料质地轻，抗拉、抗弯强度大，硬度也较高，能够很好应用于汽车发动机活塞、连杆上。另外，本发明不限于上述实施方式，只要不超出本发明的范围，可根据需要增加各相的比例。

Claims (10)

1.一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，对碳纤维表面进行处理；
步骤2，将处理好的碳纤维剪切为短纤维；
步骤3，将羟乙基纤维素溶于蒸馏水中，机械搅拌2-3小时，静置12小时待其稳定形成一种胶体；
步骤4，将短纤维置于胶体中，机械搅拌1-2小时，使短纤维均匀分散于胶体中，得A胶体；再将碳化硅颗粒和铝粉置于胶体中，搅拌1小时使其均匀混合，得B胶体；最后A胶体和B胶体混合，搅拌30分钟，混合均匀，其中，胶体的质量分数为78％-87％，铝粉的质量分数为10％-14％,碳化硅颗粒的质量分数1.5％-4％，碳纤维的质量分数1.5％-4％；
步骤5，将步骤4得到的混合胶体于过滤管中，控制混合溶液体积与过滤管总体积比为1:10-1:20，快速过滤掉胶体得到混合均匀粉体；
步骤6，将步骤5得到的混合粉体置于模具中，在真空条件下加压烧结，烧结温度600℃-700℃，所加压力10-30Mpa，保温时间5-30min，得到碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的碳纤维表面处理，为纤维表面电镀铜涂层、镍涂层或表面石墨化。
3.根据权利要求2所述的碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维表面电镀铜涂层的电镀液：硫酸：120g/1L；五水硫酸铜：150g/1L；氯化铜：0.4g/1L；甲基紫：0.03g/1L；聚二硫二丙烷磺酸钠：0.03g/1L；OP乳化剂：0.8g/1L；电流密度3A/dm2,电镀时间5min。
4.根据权利要求2所述的碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维表面电镀镍涂层的电镀液：硫酸镍：150g/1L；硼酸：70g/1L，电流密度2A/dm2,电镀时间5min。
5.根据权利要求2所述的碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维表面石墨化处理工艺为在真空条件下，在高温1500℃-2000℃对碳纤维处理1-2小时。
6.根据权利要求1-5任一所述的碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的短纤维的长度1-3mm。
7.根据权利要求6所述的碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的羟乙基纤维素质量分数0.4％-1％。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的碳化硅颗粒粒径为1-10微米，铝粉粒径1-100微米。
9.根据权利要求8所述的碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4中所提到的铝粉为铝粉或铝合金粉。
10.一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料用于制造汽车发动机活塞或连杆。
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