CN110172652A - 一种短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Mg‑Al‑Li系合金基复合材料技术领域，且公开了一种短切碳纤维增强Mg‑Al‑Li系合金基复合材料，包括以下重量份数配比的原料：20～30份的短切碳纤维、2～5份的γ‑氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、8～15份的纳米二氧化硅颗粒、10～20份的聚甲基丙烯酸甲酯、60～70份的Mg17Al12Li10合金粉末。本发明解决了目前短切碳纤维增强Mg‑Al‑Li系合金基复合材料，由于短切碳纤维与Mg‑Al‑Li系合金中的Al、Li发生反应，所生成的反应物导致短切碳纤维增强相与Mg‑Al‑Li系合金基体之间结合强度发生降低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及Mg-Al-Li系合金基复合材料技术领域，具体为一种短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料。
背景技术
镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料，这类材料除了具有密度低、比强度高和比刚度高等优异的性能特点外，还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性，因而在航空航天及电子封装领域具有广阔的应用前景。
镁基复合材料一般由镁合金基体及增强相组成，选择复合材料的增强相时，要求增强相与基体的物理、化学相容性好，润湿性良好，承受载荷能力强，且尽量避免增强相与基体相之间的界面反应。而短切碳纤维高强度、低密度的特性使其理应成为镁基复合材料最理想的增强体之一，虽然短切碳纤维与纯Mg不发生反应，但是却与镁合金中的Al、Li等发生反应，可生成Al4C3、Li2C化合物，这一情况不仅会严重损伤短切碳纤维，而且会降低短切碳纤维增强相与Mg-Al-Li系合金基体之间的结合强度。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料，解决了目前短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料，由于短切碳纤维与Mg-Al-Li系合金中的Al、Li发生反应，所生成的反应物导致短切碳纤维增强相与Mg-Al-Li系合金基体之间结合强度发生降低的技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料，包括以下重量份数配比的原料：20～30份的短切碳纤维、2～5份的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、8～15份的纳米二氧化硅颗粒、10～20份的聚甲基丙烯酸甲酯、60～70份的Mg17Al12Li10合金粉末。
优选的，所述短切碳纤维的纤维直径为7um、纤维长度为1mm。
优选的，所述纳米二氧化硅颗粒的平均粒径在80～100nm范围内。
优选的，所述复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)称取20～30g的短切碳纤维与50g无水乙醇一起置于球磨罐中，在氮气保护下进行球磨1～3h，之后，加入2～5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，继续球磨2～4h，采用由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂对裹浆的短切碳纤维进行3～6次洗涤；
(2)将上述裹浆的短切碳纤维加入装有磁力搅拌装置的反应器中，并向反应器中加入200mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂，在转速为120～180rpm的磁力搅拌下，将8～15g纳米二氧化硅颗粒加入反应器中，转为300～500rpm下磁力搅拌1～3h，之后，进行离心处理，制备得到表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维；
(3)将由600mL去离子水和400mL无水乙醇组成的混合溶剂加入到装有高速搅拌装置和加热装置的反应器中，在转速为500～800rpm搅拌下，先将10～20mL聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加入到反应器中，再缓慢将60～70g的Mg17Al12Li10合金粉末加入到反应器中，最后将上述制备的表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维加入到反应器中，之后，转为温度为100～120℃、速率为800～1000rpm下反应2～4h，得到分布均一的混合浆料；
(4)将上述分布均一的混合浆料装入等静压橡胶模具中，在130～160MPa压力下压制成型，再置于预热温度为200～300℃的真空炉中，以5℃/min的升温速率，升温至800～900℃，并于800～900℃、8MPa下保温3h，之后以5℃/min的退火速率，降温至室温时取出，制备得到短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
先以平均粒径在80～100nm范围内的纳米二氧化硅颗粒为负载、纤维直径为7um、纤维长度为1mm的短切碳纤维为载体，制备出表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维，再将表面包裹有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粘合剂的粘合作用下与平均粒径≤50um的Mg17Al12Li10合金粉末粘合成分布均一的混合浆料，最后将分布均一的混合浆料经过静压压制成型、真空烧结等一些列处理，制备得到短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料；
其中，纳米二氧化硅颗粒本身与Mg17Al12Li10合金粉末的Mg、Al、Li均不发生化学反应，且能够阻隔短切碳纤维与Mg17Al12Li10合金粉末的Al、Li发生反应，从而解决了目前短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料，由于短切碳纤维与Mg-Al-Li系合金中的Al、Li发生反应，所生成的反应物导致短切碳纤维增强相与Mg-Al-Li系合金基体之间结合强度发生降低的技术问题。
本发明制备的短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料的弹性模量为19.32～19.35GPa、抗拉强度为153～156MPa。
具体实施方式
以下实施例中使用的原料如下：
短切碳纤维：纤维直径为7um、纤维长度为1mm；
平均粒径在80～100nm范围内的纳米二氧化硅颗粒；
平均粒径≤50um的Mg17Al12Li10合金粉末；
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，工业级，长沙嘉祯生物科技有限公司。
实施例一：
(1)称取20g的短切碳纤维与50g无水乙醇一起置于球磨罐中，在氮气保护下进行球磨1h，之后，加入2gγ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，继续球磨2h，采用由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂对裹浆的短切碳纤维进行3次洗涤；
(2)将上述裹浆的短切碳纤维加入装有磁力搅拌装置的反应器中，并向反应器中加入200mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂，在转速为120rpm的磁力搅拌下，将8g纳米二氧化硅颗粒加入反应器中，转为300rpm下磁力搅拌1h，之后，进行离心处理，制备得到表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维；
(3)将由600mL去离子水和400mL无水乙醇组成的混合溶剂加入到装有高速搅拌装置和加热装置的反应器中，在转速为500rpm搅拌下，先将10mL聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加入到反应器中，再缓慢将60g的Mg17Al12Li10合金粉末加入到反应器中，最后将上述制备的表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维加入到反应器中，之后，转为温度为100℃、速率为800rpm下反应2h，得到分布均一的混合浆料；
(4)将上述分布均一的混合浆料装入等静压橡胶模具中，在130MPa压力下压制成型，再置于预热温度为200℃的真空炉中，以5℃/min的升温速率，升温至800℃，并于800℃、8MPa下保温3h，之后以5℃/min的退火速率，降温至室温时取出，制备得到短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料；
(5)对上述制备的短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料进行性能测试，其弹性模量为19.32GPa、抗拉强度为153MPa。
实施例二：
(1)称取30g的短切碳纤维与50g无水乙醇一起置于球磨罐中，在氮气保护下进行球磨3h，之后，加入5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，继续球磨4h，采用由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂对裹浆的短切碳纤维进行6次洗涤；
(2)将上述裹浆的短切碳纤维加入装有磁力搅拌装置的反应器中，并向反应器中加入200mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂，在转速为180rpm的磁力搅拌下，将15g纳米二氧化硅颗粒加入反应器中，转为500rpm下磁力搅拌3h，之后，进行离心处理，制备得到表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维；
(3)将由600mL去离子水和400mL无水乙醇组成的混合溶剂加入到装有高速搅拌装置和加热装置的反应器中，在转速为800rpm搅拌下，先将20mL聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加入到反应器中，再缓慢将70g的Mg17Al12Li10合金粉末加入到反应器中，最后将上述制备的表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维加入到反应器中，之后，转为温度为120℃、速率为1000rpm下反应4h，得到分布均一的混合浆料；
(4)将上述分布均一的混合浆料装入等静压橡胶模具中，在130～160MPa压力下压制成型，再置于预热温度为300℃的真空炉中，以5℃/min的升温速率，升温至900℃，并于900℃、8MPa下保温3h，之后以5℃/min的退火速率，降温至室温时取出，制备得到短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料；
(5)对上述制备的短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料进行性能测试，其弹性模量为19.35GPa、抗拉强度为156MPa。
实施例三：
(1)称取25g的短切碳纤维与50g无水乙醇一起置于球磨罐中，在氮气保护下进行球磨2h，之后，加入4gγ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，继续球磨3h，采用由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂对裹浆的短切碳纤维进行5次洗涤；
(2)将上述裹浆的短切碳纤维加入装有磁力搅拌装置的反应器中，并向反应器中加入200mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂，在转速为150rpm的磁力搅拌下，将12g纳米二氧化硅颗粒加入反应器中，转为400rpm下磁力搅拌2h，之后，进行离心处理，制备得到表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维；
(3)将由600mL去离子水和400mL无水乙醇组成的混合溶剂加入到装有高速搅拌装置和加热装置的反应器中，在转速为600rpm搅拌下，先将15mL聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加入到反应器中，再缓慢将65g的Mg17Al12Li10合金粉末加入到反应器中，最后将上述制备的表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维加入到反应器中，之后，转为温度为110℃、速率为900rpm下反应3h，得到分布均一的混合浆料；
(4)将上述分布均一的混合浆料装入等静压橡胶模具中，在150MPa压力下压制成型，再置于预热温度为280℃的真空炉中，以5℃/min的升温速率，升温至850℃，并于850℃、8MPa下保温3h，之后以5℃/min的退火速率，降温至室温时取出，制备得到短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料；
(6)对上述制备的短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料进行性能测试，其弹性模量为19.34GPa、抗拉强度为154MPa。
Claims (4)
1.一种短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料，其特征在于，包括以下重量份数配比的原料：20～30份的短切碳纤维、2～5份的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、8～15份的纳米二氧化硅颗粒、10～20份的聚甲基丙烯酸甲酯、60～70份的Mg17Al12Li10合金粉末。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述短切碳纤维的纤维直径为7um、纤维长度为1mm。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅颗粒的平均粒径在80～100nm范围内。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)称取20～30g的短切碳纤维与50g无水乙醇一起置于球磨罐中，在氮气保护下进行球磨1～3h，之后，加入2～5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，继续球磨2～4h，采用由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂对裹浆的短切碳纤维进行3～6次洗涤；
(2)将上述裹浆的短切碳纤维加入装有磁力搅拌装置的反应器中，并向反应器中加入200mL由去离子水和无水乙醇等体积组成的混合溶剂，在转速为120～180rpm的磁力搅拌下，将8～15g纳米二氧化硅颗粒加入反应器中，转为300～500rpm下磁力搅拌1～3h，之后，进行离心处理，制备得到表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维；
(3)将由600mL去离子水和400mL无水乙醇组成的混合溶剂加入到装有高速搅拌装置和加热装置的反应器中，在转速为500～800rpm搅拌下，先将10～20mL聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加入到反应器中，再缓慢将60～70g的Mg17Al12Li10合金粉末加入到反应器中，最后将上述制备的表面均匀负载有纳米二氧化硅颗粒的短切碳纤维加入到反应器中，之后，转为温度为100～120℃、速率为800～1000rpm下反应2～4h，得到分布均一的混合浆料；
(4)将上述分布均一的混合浆料装入等静压橡胶模具中，在130～160MPa压力下压制成型，再置于预热温度为200～300℃的真空炉中，以5℃/min的升温速率，升温至800～900℃，并于800～900℃、8MPa下保温3h，之后以5℃/min的退火速率，降温至室温时取出，制备得到短切碳纤维增强Mg-Al-Li系合金基复合材料。
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