CN110396653B - 非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备及方法，超声振头的下端穿过箱盖并顶在振动板上，振动板连接有多个振动板连接杆，振动板连接杆穿过固定板并下端连接有夹具，振动板和固定板之间的振动板连接杆套有具有预紧力的弹簧，固定板是通过多个固定板连接杆连接在箱盖上的，箱体内设有一个周圈有电阻丝的坩埚，夹具位于坩埚的内部。方法为：将具有一定径向预紧力的碳纤维丝束固定于夹具上；气体保护或真空条件下放入熔融金属液中；施加超声波振动；将碳纤维金属基复合材料移出金属液并冷却到室温。本发明能够实现连续的超声振动，有利于碳纤维在基体中的均匀分散，同时有利于复合材料性能的提升。

Description

非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备与方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，涉及一种非直接接触式超声振动制备连续碳纤维增强复合材料设备与方法。
背景技术
碳纤维由于具有低密度、高强度、热物性好等优异的性能，在航空航天，汽车制造，体育休闲等领域都得到了一定的应用。然而无论作为结构型复合材料还是功能型复合材料的增强体，碳纤维在基体中的分散问题都严重影响着复合材料的性能，并限制着该复合材料的应用。
目前液态轧制、真空浸渗和粉末冶金等制备碳纤维复合材料的方法都存在很大的局限性，容易在制备过程中对复合材料力学性能造成严重损伤。利用超声波振动法可以解决连续碳纤维增强铝基复合材料的增强纤维分散不均匀甚至无法完全浸渗的问题，并且可极大减小了高温下碳纤维与铝基体的反应。但是由于超声发生器的压电陶瓷材料，最高发声使用温度为120℃。而传统的将超声振头伸入到熔体中施加振动的方式，由于熔体温度高，超声振头的金属材料导热迅速，超声发生器的温度短时间内就会超过警戒温度，严重影响振动时间，影响分散效果，并容易引起设备的损坏。
发明内容
发明目的
本发明要解决的技术问题是克服现有传统利用超声振动制备连续碳纤维增强复合材料过程中超声发生器容易过热的问题，提供一种非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备与方法，简单高效的实现碳纤维在熔体中均匀分散。
技术方案
一种非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备，其特征在于：箱体的上端设有箱盖，超声振头的上端固定在超声振头支撑夹具上，超声振头的下端穿过箱盖并顶在振动板上，振动板连接有多个振动板连接杆，振动板连接杆穿过固定板并下端连接有夹具，夹具为上下两层，两层夹具之间用于夹碳纤维，振动板和固定板之间的振动板连接杆套有具有预紧力的弹簧，固定板是通过多个固定板连接杆连接在箱盖上的，所述箱体内设有一个坩埚，坩埚的周圈设有用于加热坩埚的电阻丝，夹具位于坩埚的内部。
所述超声振头支撑夹具的下端通过螺纹连接在支撑夹具底座上，超声振头支撑夹具用于夹持超声振头的一端两侧为弧形夹具片，弧形夹具片的一侧设有两个控制弧形夹具片开合的合页，另一侧通过螺丝螺母或者螺栓锁紧。
所述夹具的尺寸为内腔的长和宽为0.1-10 m的矩形夹具或内腔直径为0.1-10 m的圆形夹具，夹具宽度为1-100 cm。
所述夹具为碳纤维材料夹具。
所述超声振头与箱盖之间设有直线轴承a，直线轴承a的上下端设有骨架油封，振动板连接杆与固定板之间设有直线轴承b。
一种使用所述的设备制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将具有一定径向预紧力的碳纤维丝束固定于夹具上，得到预制体；
②在惰性气体保护或真空条件下将纤维预制体放入坩埚内的熔融金属液中；
③在振动板的上方施加超声波振动，进而传导给碳纤维预制体，经过超声的振动，金属液浸渗到碳纤维的间隙中，制得碳纤维金属基复合材料；
④将碳纤维金属基复合材料移出金属液并冷却到室温。
所述步骤①中碳纤维在固定到夹具之前，先用测力计给碳纤维施加1-50 N的径向预紧力，而后利用夹具将其上下夹紧，使其在夹具上同样具有径向预紧力，碳纤维丝束为一层或多层，是全部朝向一个方向的或交叉排布的。
所述步骤②中熔融金属液为铝合金，温度为大于等于液相线20℃。
所述步骤③中超声振头与振动板紧密接触，并且在施加振动前以1-300N的力下压振动板，弹簧受到相应施加的压力，而后开始振动，振动频率为20KHz以上，振幅7μm-95μm，振动时间0.5-60 min。
优点及效果
本发明采用非直接接触式超声振动的设备和方法，可有效防止超声发生器温度过高不工作的问题，实现连续的超声振动，有利于碳纤维在基体中的均匀分散，同时有利于复合材料性能的提升。
附图说明
图1 为本发明设备的结构示意图；
图2为箱体及其内部俯视结构示意图；
图3为碳纤维朝相同方向排布且端部不超过夹具的结构示意图；
图4为碳纤维朝相同方向排布且端部超过夹具的结构示意图；
图5为碳纤维交叉方向排布的结构示意图；
图6为夹具为圆型时夹有碳纤维的结构示意图；
图7为超声振头支撑夹具夹持超声振头处的结构示意图；
图8为直线轴承结构示意图；
图9为在扫描电镜下纵向连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片；
图10为在扫描电镜下横向连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片。
附图标记说明：
1.超声振头、2.箱体、3.箱盖、4.固定板连接杆、5.固定板、6.振动板、7.振动板连接杆、8.弹簧、9.直线轴承a、10.直线轴承b、11.坩埚、12.电阻丝、13.夹具、14.碳纤维、15.熔融金属液、16.超声振头支撑夹具、17.支撑夹具底座、18.电源a、19.电源b、20.弧形夹具片、21.合页、22.骨架油封。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，一种非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备，箱体2的上端设有箱盖3，超声振头1的上端固定在超声振头支撑夹具16上，超声振头支撑夹具16的下端通过螺纹连接在支撑夹具底座17上，支撑夹具底座17具有一定的重量，防止超声振头1工作时候发生掉落危险。优选的，箱体2一侧设有开启门，以便实验观察和维修，超声振头支撑夹具16用于夹持超声振头1的一端两侧为弧形夹具片20，弧形夹具片20的一侧设有两个控制弧形夹具片20开合的合页21，另一侧通过螺丝螺母或者螺栓锁紧。超声振头1的下端穿过箱盖3并顶在振动板6上，超声振头1与箱盖3之间设有直线轴承a 9，直线轴承a 9的上下端设有骨架油封22，振动板6通过螺母连接有多个振动板连接杆7，振动板连接杆7为丝杆，振动板连接杆7穿过固定板5并下端通过螺母连接有夹具13，振动板连接杆7与固定板5之间设有直线轴承b 10，夹具13为上下两层，两层夹具13之间用于夹碳纤维14，振动板6和固定板5之间的振动板连接杆7套有压缩的具有预紧力的弹簧8，固定板5是通过多个固定板连接杆4连接在箱盖3上的，固定板连接杆4为丝杆，其上下端也皆是通过螺母连接固定的，振动板连接杆7和固定板连接杆4是分布在超声振头1的周围的，所述箱体2内设有一个坩埚11，坩埚11的周圈设有用于加热坩埚的电阻丝12，夹具13位于坩埚11的内部。电阻丝12通过电源线连接在电源a 18上，超声振头1通过电源线连接在电源b 19上。优选的，夹具13的尺寸为内腔的长L和宽W为0.1-10 m的矩形夹具或内腔直径D为0.1-10m的圆形夹具，夹具宽度X为1-100 cm。优选的，夹具13为碳纤维材料夹具。
实施例1：
一种使用上述的设备制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法：
①先用测力计给碳纤维14施加1-50 N的径向预紧力，而后利用夹具13将其上下夹紧，使其在夹具13上同样具有径向预紧力，得到预制体；碳纤维14丝束为一层，是全部朝向一个方向排布的，夹具13的尺寸为内腔的长L为0.1m，宽W为0.1m的矩形夹具，夹具宽度X为1cm；
②在氩气保护条件下将纤维预制体放入坩埚11内的熔融铝合金金属液中，温度为大于铝合金液相线20℃；
③超声振头1与振动板6紧密接触，并且在施加振动前以1N的力下压振动板6，弹簧8受到相应施加的压力，在振动板6的上方施加超声波振动，进而传导给碳纤维预制体，振动频率为20KHz，振幅7μm，振动时间0.5min，经过超声的振动，金属液浸渗到碳纤维的间隙中，制得碳纤维金属基复合材料；
④将超声振头支撑夹具16与超声振头1分开，并将箱盖3开启，进而将碳纤维金属基复合材料移出金属液并冷却到室温。其抗拉强度相比于基体合金提高174.2%。
实施例2
一种使用上述的设备制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法：
①先用测力计给碳纤维14施加1-50 N的径向预紧力，而后利用夹具13将其上下夹紧，使其在夹具13上同样具有径向预紧力，得到预制体；碳纤维14丝束为多层，是交叉排布的，夹具13的尺寸为内腔的长L为10m，宽W为10 m的矩形夹具，夹具宽度X为100 cm；
②在真空条件下将纤维预制体放入坩埚11内的熔融铝合金金属液中，温度为大于铝合金液相线25℃；
③超声振头1与振动板6紧密接触，并且在施加振动前以300N的力下压振动板6，弹簧8受到相应施加的压力，在振动板6的上方施加超声波振动，进而传导给碳纤维预制体，振动频率为22KHz，振幅95μm，振动时间60 min，经过超声的振动，金属液浸渗到碳纤维的间隙中，制得碳纤维金属基复合材料；
④将超声振头支撑夹具16与超声振头1分开，并将箱盖3开启，进而将碳纤维金属基复合材料移出金属液并冷却到室温。其抗拉强度相比于基体合金提高23.1%。
实施例3
一种使用上述的设备制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法：
①先用测力计给碳纤维14施加1-50 N的径向预紧力，而后利用夹具13将其上下夹紧，使其在夹具13上同样具有径向预紧力，得到预制体；碳纤维14丝束为多层，是全部朝向一个方向排布的，夹具13的尺寸为内腔直径D为0.1m的圆形夹具，夹具宽度X为1cm；
②在氩气保护条件下将纤维预制体放入坩埚11内的熔融铝合金金属液中，温度为大于液相线23℃；
③超声振头1与振动板6紧密接触，并且在施加振动前以5N的力下压振动板6，弹簧8受到相应施加的压力，在振动板6的上方施加超声波振动，进而传导给碳纤维预制体，振动频率为22KHz，振幅20μm，振动时间10min，经过超声的振动，金属液浸渗到碳纤维的间隙中，制得碳纤维金属基复合材料；
④将超声振头支撑夹具16与超声振头1分开，并将箱盖3开启，进而将碳纤维金属基复合材料移出金属液并冷却到室温。如图9所示纵向连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织，可以观察到碳纤维在超声波作用后分布均匀，没有出现团聚现象，纤维与纤维间间隙较为均匀，同时基体将碳纤维包裹良好。由图中没有观察到缺陷，碳纤维形貌圆整且完好。其抗拉强度相比于基体合金提高174.1%。
实施例4
一种使用上述的设备制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法：
①先用测力计给碳纤维14施加1-50 N的径向预紧力，而后利用夹具13将其上下夹紧，使其在夹具13上同样具有径向预紧力，得到预制体；碳纤维14丝束为多层，是全部朝向一个方向排布的，夹具13的尺寸为内腔直径D为100m的圆形夹具，夹具宽度X为80cm；
②在真空条件下将纤维预制体放入坩埚11内的熔融铝合金金属液中，温度为大于液相线30℃；
③超声振头1与振动板6紧密接触，并且在施加振动前以250N的力下压振动板6，弹簧8受到相应施加的压力，在振动板6的上方施加超声波振动，进而传导给碳纤维预制体，振动频率为20KHz，振幅78μm，振动时间45 min，经过超声的振动，金属液浸渗到碳纤维的间隙中，制得碳纤维金属基复合材料；
④将超声振头支撑夹具16与超声振头1分开，并将箱盖3开启，进而将碳纤维金属基复合材料移出金属液并冷却到室温。如图10所示横向连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织，可以观察到碳纤维在超声波作用后分布均匀，没有出现团聚现象，纤维与纤维间间隙较为均匀，同时基体将碳纤维包裹良好。由图中没有观察到缺陷，碳纤维形貌圆整且完好，其抗拉强度相比于基体合金提高173.2%，其抗拉强度可达203MPa。
本发明制备方案可以用感应线圈替换电阻丝，以达到更高的温度。本制备方案同样适用于轮纺纤维，Al2O3纤维和石墨纤维等纤维增强镁合金，钛合金等有色金属或黑色金属亦或环氧树脂等无机非金属材料复合材料的制备。以上实施例所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备，其特征在于：箱体（2）的上端设有箱盖（3），超声振头（1）的上端固定在超声振头支撑夹具（16）上，超声振头（1）的下端穿过箱盖（3）并顶在振动板（6）上，振动板（6）连接有多个振动板连接杆（7），振动板连接杆（7）穿过固定板（5）并下端连接有夹具（13），夹具（13）为上下两层，两层夹具（13）之间用于夹碳纤维（14），振动板（6）和固定板（5）之间的振动板连接杆（7）套有具有预紧力的弹簧（8），固定板（5）是通过多个固定板连接杆（4）连接在箱盖（3）上的，所述箱体（2）内设有一个坩埚（11），坩埚（11）的周圈设有用于加热坩埚的电阻丝（12），夹具（13）位于坩埚（11）的内部；
所述超声振头（1）与箱盖（3）之间设有直线轴承a（9），振动板连接杆（7）与固定板（5）之间设有直线轴承b（10）。
2.根据权利要求1所述的非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备，其特征在于：所述超声振头支撑夹具（16）的下端通过螺纹连接在支撑夹具底座（17）上，超声振头支撑夹具（16）用于夹持超声振头（1）的一端两侧为弧形夹具片（20），弧形夹具片（20）的一侧设有两个控制弧形夹具片（20）开合的合页（21），另一侧通过螺丝螺母或者螺栓锁紧。
3.根据权利要求1所述的非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备，其特征在于：所述夹具（13）的尺寸为内腔的长和宽为0.1-10 m的矩形夹具或内腔直径为0.1-10 m的圆形夹具，夹具宽度为1-100 cm。
4.根据权利要求1、2或3所述的非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备，其特征在于：所述夹具（13）为碳纤维材料夹具。
5.根据权利要求1所述的非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料设备，其特征在于：所述直线轴承a（9）的上下端设有骨架油封（22）。
6.一种使用如权利要求1所述的设备制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将具有一定径向预紧力的碳纤维（14）丝束固定于夹具上，得到预制体；
②在惰性气体保护或真空条件下将纤维预制体放入坩埚（11）内的熔融金属液中；
③在振动板（6）的上方施加超声波振动，进而传导给碳纤维预制体，经过超声的振动，金属液浸渗到碳纤维的间隙中，制得碳纤维金属基复合材料；
④将碳纤维金属基复合材料移出金属液并冷却到室温。
7.根据权利要求6所述的制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤①中碳纤维（14）在固定到夹具（13）之前，先用测力计给碳纤维（14）施加1-50 N的径向预紧力，而后利用夹具（13）将其上下夹紧，使其在夹具（13）上同样具有径向预紧力，碳纤维（14）丝束为一层或多层，是全部朝向一个方向的或交叉排布的。
8.根据权利要求6所述的制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤②中熔融金属液为铝合金，温度为大于等于液相线20℃。
9.根据权利要求6所述的制备非直接接触式超声振动制备碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤③中超声振头（1）与振动板（6）紧密接触，并且在施加振动前以1-300N的力下压振动板（6），弹簧（8）受到相应施加的压力，而后开始振动，振动频率为20KHz以上，振幅7μm-95μm，振动时间0.5-60 min。
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