CN109183195A - 硅铝铜镁增强纤维及制备方法与铝铜镁超塑合金基复合铝 - Google Patents

Abstract

本发明公开硅铝铜镁增强纤维及制备方法与铝铜镁超塑合金基复合铝。按重量百分比计，由46%‑52%的火成岩、30%‑42%的氧化铜和10%‑18%氧化镁组成。本发明在天然高硅铝火成岩矿石基础上，通过引入氧化铜和氧化镁组分，生成一种非晶高硅铝铜镁增强纤维。所述非晶高硅铝铜镁增强纤维与铝铜镁超塑铝合金复合，增强材料中的硅、铝、铜、镁组分，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，即提高铝铜镁超塑合金基复合铝的强度。

Description

硅铝铜镁增强纤维及制备方法与铝铜镁超塑合金基复合铝

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铜镁增强纤维及其制备方法，以及采用该纤维增强的铝铜镁超塑合金基复合铝。

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铝基复合材料（2007年，深圳吉利科建科技有限公司，深圳正佳科建科技有限公司，南京天淦新材料科技有限公司，湖南大学，湖南工业大学）。

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和钢材相同的4%-5.5%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铜镁增强纤维及制备方法，并采用该纤维和高断裂延伸率的铝铜镁超塑合金复合。旨在提高复合界面亲和力（即拉伸强度）的同时，还确保复合铝在特定温度下和拉伸速率下有着较高的断裂延伸率。

本发明的技术方案如下：

一种非晶高硅铝铜镁增强纤维，其中，按重量百分比计，由46%-52%的火成岩、30%-42%的氧化铜和10%-18%的氧化镁组成。

所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，其中，按重量百分比计，由51.79%的火成岩、31.29%的氧化铜和16.92%的氧化镁组成。

所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，其中，按重量百分比计，由48.41%的火成岩、41.30%的氧化铜和10.29%的氧化镁组成。

所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，其中，按重量百分比计，由46.53%的火成岩、37.55%的氧化铜和15.92%的氧化镁组成。

所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，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%。

所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，其中，所述非晶高硅铝铜镁增强纤维的直径为5~12微米。

一种如上任一所述的非晶高硅铝铜镁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、氧化铜和氧化镁混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化铜和氧化镁进行熔炼，得到熔体；

然后将熔体进行拉丝，得到非晶高硅铝铜镁增强纤维。

所述的非晶高硅铝铜镁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、氧化铜和氧化镁混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化铜和氧化镁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，得到非晶高硅铝铜镁增强纤维。

一种铝铜镁超塑合金基复合铝，其中，由如上任一所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维和铝铜镁超塑铝合金混合而成。

所述的铝铜镁超塑合金基复合铝，其中，所述铝铜镁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铜镁增强纤维放入铝铜镁超塑铝合金溶液中，然后降温，再搅拌匀化，最后升温浇铸，得到铝铜镁超塑合金基复合铝；其中，所述非晶高硅铝铜镁增强纤维与铝铜镁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，通过引入氧化铜和氧化镁组分，生成一种非晶高硅铝铜镁增强纤维。所述非晶高硅铝铜镁增强纤维与铝铜镁超塑铝合金复合，增强材料中的硅、铝、铜、镁组分，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，即增强铝铜镁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铜镁增强纤维及制备方法与铝铜镁超塑合金基复合铝，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铜镁增强纤维，其中，按重量百分比计，由46%-52%的火成岩、30%-42%的氧化铜和10%-18%氧化镁组成；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，引入氧化铜、氧化镁组分，生成一种非晶高硅铝铜镁增强纤维。生成的所述非晶高硅铝铜镁增强纤维与铝铜镁超塑铝合金复合时，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，增强纤维引入氧化铜、氧化镁组分，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铜镁增强纤维的抗拉强度可超过4000MPa。

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铜镁增强纤维材料的充分条件。

本发明还提供一种如上任一所述的非晶高硅铝铜镁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、氧化铜、氧化镁混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化铜、氧化镁进行熔炼，得到熔体；

然后将熔体进行拉丝，得到非晶高硅铝铜镁增强纤维。

优选地，所述非晶高硅铝铜镁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、氧化铜、氧化镁混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化铜、氧化镁放入底插电极全电熔炉进行熔炼，得到熔体；

然后将熔体通过拉丝漏板进行拉丝，得到非晶高硅铝铜镁增强纤维。

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铜镁增强纤维的直径为5~12微米，长度可以是连续长丝，或者短切及粉碎为短纤。

本发明还提供一种铝铜镁超塑合金基复合铝，其中，由如上任一所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维和铝铜镁超塑铝合金混合而成。将所述非晶高硅铝铜镁增强纤维和铝铜镁超塑铝合金复合，可以获得界面融合性能优异的高强度的铝铜镁超塑合金基复合铝。经测试表明，本发明所述铝铜镁超塑合金基复合铝的室温环境断裂伸长率为4%-8%，拉伸强度约240-300MPa；而未添加增强材料的推荐产品铝-（25~33）%铜-（7~13）%镁，其室温条件下强度拉伸平均值仅180-200MPa。

本发明所述铝铜镁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铜镁增强纤维放入铝铜镁超塑铝合金溶液中（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，得到铝铜镁超塑合金基复合铝。

以铝铜镁超塑合金基复合铝为基准，所述非晶高硅铝铜镁增强纤维的重量占比为1%~30%，如3%，即所述非晶高硅铝铜镁增强纤维与铝铜镁超塑铝合金溶液的重量比为3:97。

本发明所述非晶高硅铝铜镁增强纤维与铝铜镁超塑铝合金复合之前，包括步骤：对所述非晶高硅铝铜镁增强纤维进行短切处理。具体为，将纤维直径为5~12微米的非晶高硅铝铜镁增强纤维通过短切机剪切成纤维长度为1~3毫米的非晶高硅铝铜镁增强纤维。这是因为在该纤维长度范围内，非晶高硅铝铜镁增强纤维能够更好地通过高压喷粉机，射入铝铜镁超塑铝合金溶体。

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，从而提高了铝铜镁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

一种非晶高硅铝铜镁增强纤维，按重量百分比计由51.79%的火成岩，31.29%的氧化铜，和16.92%氧化镁组成，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31.29%的氧化铜，由Cu和CuO分子量之比=63.55:79.55，换算得知非晶高硅铝铜镁增强纤维中铜含量为25%。镁和氧化镁分子量之比=24.30:40.30，火成岩中氧化镁含量1.32%，故添加氧化镁比例为16.92%，合计镁的含量为11%。 研究表明，Al-25%Cu-11%Mg的铝铜镁超塑合金是最优配比，其在400-480摄氏度时最大伸长率>600%。

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%，氧化铜1.74%，氧化钠6.04%，氧化铁/氧化亚铁2.87%。

实施例2

一种非晶高硅铝铜镁增强纤维，按重量百分比计由 48.41%的火成岩。辅料41.3%的氧化铜，由Cu和CuO分子量之比=63.55:79.55，换算得知非晶高硅铝铜镁增强纤维中铜含量为33%。镁和氧化镁分子量之比=24.30:40.30，火成岩中氧化镁含量1.32%，故添加氧化镁比例为10.29 %，合计镁的含量为7%。Al-33%Cu-7%Mg的铝铜镁超塑合金也是一种优化配比，其在400-480摄氏度时最大伸长率>600%。

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%，氧化铜1.74%，氧化钠6.04%，氧化铁/氧化亚铁2.87%。

实施例3

一种非晶高硅铝铜镁增强纤维，按重量百分比计由 46.53%的火成岩。辅料37.55%的氧化铜，由Cu和CuO分子量之比=63.55:79.55，换算得知非晶高硅铝铜镁增强纤维中铜含量为30%。镁和氧化镁分子量之比=24.30:40.30，火成岩中氧化镁含量1.32%，故添加氧化镁比例为15.92 %，镁的含量为10%。Al-30%Cu-10%Mg的铝铜镁超塑合金，其在400-480摄氏度时最大伸长率>600%。

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%，氧化铜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、氧化铜和氧化镁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，生产出纤维直径为5~12微米，抗拉强度处于4000-6000MPa范围内的非晶高硅铝铜镁增强纤维，再切割成毫米级的非晶高硅铝铜镁增强短纤。将1~3毫米长度的非晶高硅铝铜镁增强短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300-20000转/分钟的搅拌器搅拌6分钟至匀化。最后升温至熔融温度，浇铸成复合铝，其室温环境断裂伸长率为7%，拉伸强度约280MPa，其中非晶高硅铝铜镁增强纤维和铝铜镁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铜镁增强纤维及制备方法与铝铜镁超塑合金基复合铝，本发明火成岩、氧化铜、氧化镁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铜镁增强纤维。该非晶高硅铝铜镁增强纤维短切后和铝铜镁系超塑铝合金复合，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)

1.一种非晶高硅铝铜镁增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由46%-52%的火成岩、30%-42%的氧化铜和10%-18%氧化镁组成。

2.根据权利要求1所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由51.79%的火成岩、31.29%的氧化铜和16.92%氧化镁组成。

3.根据权利要求1所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由48.41%的火成岩、41.30%的氧化铜和10.29%的氧化镁组成。

4.根据权利要求1所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，其特征在于，按重量百分比计，由46.53%的火成岩、37.55%的氧化铜和15.92%的氧化镁组成。

5.根据权利要求1所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，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%。

6.根据权利要求1所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维，其特征在于，所述非晶高硅铝铜镁增强纤维的直径为5~12微米。

7.一种如权利要求1~6任一所述的非晶高硅铝铜镁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、氧化铜和氧化镁混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化铜和氧化镁进行熔炼，得到熔体；

然后将熔体进行拉丝，得到非晶高硅铝铜镁增强纤维。

8.根据权利要求7所述的非晶高硅铝铜镁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、氧化铜和氧化镁混合均匀，并将混合均匀的所述火成岩、氧化铜和氧化镁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，得到非晶高硅铝铜镁增强纤维。

9.一种铝铜镁超塑合金基复合铝，其特征在于，由权利要求1~6任一所述的非晶高硅铝铜镁增强纤维和铝铜镁超塑铝合金混合而成。

10.根据权利要求9所述的铝铜镁超塑合金基复合铝，其特征在于，所述铝铜镁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铜镁增强纤维放入铝铜镁超塑铝合金溶液中，然后降温，再搅拌匀化，最后升温浇铸，得到铝铜镁超塑合金基复合铝；其中，所述非晶高硅铝铜镁增强纤维与铝铜镁超塑铝合金溶液的重量比为3:97。