CN110408864A - 碳纤维增强铝基复合材料的制备方法、复合材料及零部件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法、复合材料及零部件。本发明所述方法通过碳纤维表层细化剂沉积与熔炼旋转一体连续成型工艺来制备碳纤维增强铝基复合材料。首先在反应成型室中通过化学气相沉积在碳纤维表层沉积一层铝钛硼细化剂，然后将在熔炼室已经熔炼好的铝合金熔体通过真空及压力浸渗结合的方法进入已经表面沉积铝钛硼的碳纤维中，在浇铸与凝固过程中碳纤维表层沉积一层铝钛硼可以抑制碳纤维与铝合金的反应并细化铝合金组织，增强碳纤维与铝合金的结合强度。

Description

碳纤维增强铝基复合材料的制备方法、复合材料及零部件

技术领域

本发明涉及铝合金复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法、复合材料以及零部件。

背景技术

碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状碳材料，具有非常高的比强度和比模量，同时兼备耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变的特点。碳纤维增强金属复合材料应用广泛。由于铝合金具有密度小，力学综合性能优异的特点，因此碳纤维增强铝合金复合材料是汽车、航天及航空领域的理想结构材料。目前常用的碳纤维增强铝合金复合材料的制备方法有：熔融浸润法、挤压铸造法、扩散粘结法、粉末冶金法、真空压力浸渗法等。但是现有的方法铝合金与碳纤维的结合强度较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以抑制碳纤维与铝合金的反应并细化铝合金组织，增强碳纤维与铝合金的结合强度的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于：使用所述的制备系统进行制备。

本发明还公开了一种碳纤维增强铝基零部件，其特征在于：使用所述的碳纤维增强铝基复合材料进行制备。

本发明还公开了一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）首先测试碳纤维加热至500-1200℃，然后利用H₂作为载气将铝有机源、钛有机源及三甲基硼在纤维丝表层上沉积95%以上铝钛硼细化剂层时间，记录该时间t；

2）首先将反应成型室固定在炉体旋转轴的上部，将熔炼室固定在炉体旋转轴的下部；

3）铝合金块放置于熔炼坩埚下主体中，然后将熔炼坩埚下主体和熔炼坩埚上主体焊接在一起形成熔炼坩埚，之后将熔炼坩埚放置于所述熔炼室内；

4）碳纤维在熔炼前装入反应坩埚下主体部分中，再将反应坩埚上主体部分与反应坩埚下主体部分焊接在一起形成反应坩埚；然后将反应坩埚放置于坩埚卡具内部，通过坩埚卡具压盖将反应坩埚固定，同时保证反应坩埚透气孔、坩埚卡具透气孔的中心位于一条中心线上；之后将坩埚卡具放入反应成型室中并固定在坩埚卡具支撑杆的下端；同时使得反应坩埚通孔、坩埚卡具通孔、缓冲坩埚中心线位于一条直线上，记录下坩埚卡具支撑杆此时的初始位置，并做标记记录；

5）通过缓冲坩埚支撑将缓冲坩埚固定在反应成型室的上端透气口内，并依次连接铜模和多功能管道；

6）通过多功能管道给反应成型室和熔炼室抽真空至10Pa-10^-5Pa；启动坩埚旋转驱动电机，通过坩埚卡具支撑杆带动坩埚卡具及反应坩埚转动；然后第一加热系统给反应坩埚内的碳纤维加热至500-1200℃，然后利用H₂作为载气，通过第一MO源气管，第二MO源气管和第三MO源气管分别将铝有机源、钛有机源及三甲基硼排入反应成型室中；停止抽真空，保证整个系统的内部压力保持在10-100Torr，使得铝有机源、钛有机源及三甲基硼在碳纤维丝表层沉积形成铝钛硼细化剂层，反应后的气体通过多功能管道排出；

7）当反应达到碳纤维中95%以上的纤维丝表层形成铝钛硼细化剂层时间t以后，停止第一MO源气管，第二MO源气管，第三MO源气管中有机源的注入，停止反应坩埚旋转，并使得坩埚卡具支撑杆上的位置标记回到初始位置，使得反应坩埚通孔、坩埚卡具通孔、缓冲坩埚中心线位于一条直线上；反应气体及未反应的气体随着多功能管道排出反应成型室；调节第一加热系统使得反应成型室中的温度保持500℃±10℃左右，同时通过多功能管道给反应成型室和熔炼室抽真空至10Pa-10^-5Pa，并且保持抽真空状态，然后启动熔炼室加热器给熔炼室中的铝合金块加热至熔化，恒温700-900℃；

8）启动辅助加热器，加热排液管温度至700℃以上；

9）启动炉体旋转驱动，使得炉体旋转轴缓慢带动反应成型室和熔炼室旋转180°，旋转过程中，铝合金熔体在重力的作用下通过排液口开始进入反应坩埚中，旋转过程中通过观察窗观察反应坩埚口内的铝合金熔体的液面，防止熔体喷出反应坩埚口，随时调节炉体旋转轴的旋转速度；当旋转180°后，通过观察窗观察反应坩埚口内的铝合金熔体的液面位置，当铝合金熔体液面没过排液口，通过注压管给铝合金熔体施加压力，使得铝合金熔体进一步被压入碳纤维的缝隙中，当铝合金熔体液面接近反应坩埚口后，停止向注压管中继续注入惰性气体，待铝合金熔体缓慢在压力下浸入到碳纤维丝的中间；当反应坩埚口中铝合金液面低于反应坩埚口下端面后，再次向注压管中施压，如此反复直至整个碳纤维内部注满铝合金熔体；

10）过多的铝合金熔体透过反应坩埚通孔及坩埚卡具通孔进入缓冲坩埚中；铝合金熔体通过缓冲坩埚进入铜模后凝固，然后控制第一加热系统使得碳纤维中的铝合金熔体自反应坩埚底部向上定向凝固，完成碳纤维增强铝合金复合材料的制备。

进一步的技术方案在于：所述方法使用碳纤维增强铝基复合材料制备系统，所述制备系统包括碳纤维加热装置、铝合金熔炼装置、旋转驱动装置以及炉体旋转支架，所述旋转驱动装置可转动的连接在所述炉体旋转支架的上端，所述碳纤维加热装置与铝合金熔炼装置上下相对的固定在所述旋转驱动装置上，所述碳纤维加热装置用于对其内的碳纤维进行加热并在所述碳纤维的表面形成一层细化剂层；所述铝合金熔炼装置用于将其内的铝合金块熔炼成铝合金熔体；形成铝合金熔体后通过所述旋转驱动装置驱动所述碳纤维加热装置与铝合金熔炼装置的位置互换，使产生的铝合金熔体进入到所述碳纤维加热装置内部，使所述铝合金熔体与所述碳纤维结合形成碳纤维增强铝基复合材料。

进一步的技术方案在于：所述碳纤维加热装置包括反应坩埚，所述反应坩埚的外侧设置有坩埚卡具，所述反应坩埚的内部设置有碳纤维，所述坩埚卡具的外周设置有第一加热系统，所述第一加热系统的外侧设置有反应成型室，所述反应成型室的上侧设置有坩埚卡具支撑杆，所述坩埚卡具支撑杆的上端设置有坩埚旋转驱动电机，所述坩埚卡具支撑杆的下端延伸至所述反应成型室内并与所述反应坩埚固定连接，所述反应成型室的下端与所述旋转驱动装置固定连接，第一MO源气管、第二MO源气管、第三MO源气管的外侧端部分别与相应的铝有机源、钛有机源及三甲基硼的气源连接，所述第一至第三MO源气管的内侧端部经过所述反应成型室后进入到所述反应坩埚内；上侧的所述反应成型室上设置有抽气及铝合金缓冲装置。

进一步的技术方案在于：所述反应坩埚包括反应坩埚下主体部分和反应坩埚上主体部分，所述反应坩埚下主体部分与反应坩埚上主体部分固定连接，所述反应坩埚下主体部分的下端设置有向下延伸的反应坩埚筒，所述反应坩埚筒的下端设置有反应坩埚口，所述反应坩埚上主体部分的上端设置有两个反应坩埚透气孔；所述坩埚卡具的上端和下端设置有开口，所述反应坩埚筒延伸至所述坩埚卡具的下端开口外，所述第一MO源气管、第二MO源气管、第三MO源气管的内侧端部延伸至所述反应坩埚筒内；与所述反应坩埚透气孔相对应的所述反应成型室的上侧壁上设置有两个连接孔，所述抽气及铝合金缓冲装置固定在所述连接孔内并与其相连通。

进一步的技术方案在于：所述抽气及铝合金缓冲装置包括固定在所述连接孔内的缓冲坩埚，所述缓冲坩埚的顶部设置有与反应成型室固定且与所述缓冲坩埚相连通的缓冲坩埚支撑，所述缓冲坩埚支撑的上端设置有与其相连通的铜，所述铜模的上端设置有与其相连通的多功能管道，所述多功能管道上设置有单向阀。

进一步的技术方案在于：所述坩埚卡具的上侧设置有坩埚卡具插环，与所述有坩埚卡具插环相对应的反应成型室的顶壁上设置有插入槽，安装时所述坩埚卡具插环插入到所述插入槽内，所述坩埚卡具的下端设置有内径小于所述坩埚卡具主体直径的坩埚卡具压盖。

进一步的技术方案在于：所述铝合金熔炼装置包括熔炼坩埚，所述熔炼坩埚的外周设置有熔炼室加热器，所述熔炼坩埚内设置有待熔炼的铝合金块；所述熔炼室加热器的外侧设置有熔炼室，所述熔炼坩埚包括熔炼坩埚上主体和熔炼坩埚下主体，熔炼坩埚上主体与熔炼坩埚下主体之间焊接到一起，所述熔炼坩埚上主体的上端盖上设置有向上延伸的排液管，所述排液管与所述熔炼坩埚相连通，且所述排液管的上端设置有排液口，所述排液管的排液口延伸至所述碳纤维加热装置的反应坩埚内，所述熔炼坩埚下主体上设置有注压管，所述注压管的上端延伸至所述熔炼坩埚下主体内，且与所述熔炼坩埚相连通，所述注压管的下端延伸至所述熔炼室下侧壁的外侧；所述熔炼坩埚上主体上侧的所述反应成型室上设置有隔热层，所述隔热层的外侧端部设置有压块，通过压块将所述隔热层固定在所述反应成型下端的开口内；所述隔热层的上侧以及部分所述排液管上设置有辅助加热器。

进一步的技术方案在于：所述旋转驱动装置包括炉体旋转驱动装置以及炉体旋转轴，所述碳纤维加热装置和铝合金熔炼装置固定在所述炉体旋转轴上。

本发明还公开了一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于：使用所述的制备方法进行制备。

本发明还公开了一种碳纤维增强铝基零部件，其特征在于：使用所述的碳纤维增强铝基复合材料进行制备。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述方法通过碳纤维表层细化剂沉积与熔炼旋转一体连续成型工艺来制备碳纤维增强铝基复合材料。本发明所述系统和方法首先在反应成型室中通过化学气相沉积法，在碳纤维表层沉积一层铝钛硼细化剂，然后将在熔炼室已经熔炼好的铝合金熔体通过真空及压力浸渗结合的方法浸入已经表面沉积铝钛硼的碳纤维中，在浇铸与凝固过程中碳纤维表层沉积一层铝钛硼可以抑制碳纤维与铝合金的反应并细化铝合金组织，增强碳纤维与铝合金的结合强度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中所述系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中所述系统在浇筑过程中的结构示意图；

图3是本发明实施例所述系统中反应坩埚的结构示意图；

图4是本发明实施例所述系统中坩埚卡具的结构示意图；

图5是本发明实施例所述系统中熔炼坩埚的结构示意图；

其中：1：反应成型室，2：第一加热系统，3：坩埚卡具，3-1：坩埚卡具压盖；3-2：坩埚卡具通孔；3-3：坩埚卡具插环；4：反应坩埚，4-1：反应坩埚主体部分；4-2：反应坩埚口；4-3：反应坩埚通孔；5：碳纤维，6：观察窗，7：第一MO源气管，8：第二MO源气管，9：第三MO源气管；10：炉体旋转驱动装置，11：炉体旋转轴，12：炉体旋转支撑；13：熔炼室，14：熔炼室加热器，15：熔炼坩埚，15-1：熔炼坩埚下主体；15-2：熔炼坩埚上主体；15-3：熔炼坩埚焊缝；15-4：排液管；16：铝合金熔体，17：注压管；18：隔热层，19：压块，20：辅助加热器；21：缓冲坩埚，22：缓冲坩埚支撑，23：铜模；24：多功能管道；25：坩埚卡具支撑杆；26：坩埚旋转驱动电机。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种碳纤维增强铝基复合材料的制备系统，包括碳纤维加热装置、铝合金熔炼装置、旋转驱动装置以及炉体旋转支架12。所述旋转驱动装置可转动的连接在所述炉体旋转支架12的上端，所述碳纤维加热装置与铝合金熔炼装置上下相对的固定在所述旋转驱动装置上，所述碳纤维加热装置用于对其内的碳纤维5进行加热并在所述碳纤维5的表面形成一层细化剂层；所述铝合金熔炼装置用于将其内的铝合金块熔炼成铝合金熔体16；形成铝合金熔体16后通过所述旋转驱动装置驱动所述碳纤维加热装置与铝合金熔炼装置的位置互换，使产生的铝合金熔体16进入到所述碳纤维加热装置内部，使所述铝合金熔体与所述碳纤维结合形成碳纤维增强铝基复合材料。

进一步的，如图1和图2所示，所述碳纤维加热装置包括反应坩埚4，所述反应坩埚4的外侧设置有坩埚卡具3，所述反应坩埚4的内部设置有碳纤维5，所述坩埚卡具3的外周设置有第一加热系统2，所述第一加热系统2的外侧设置有反应成型室1，所述反应成型室1的上侧设置有坩埚卡具支撑杆25，所述坩埚卡具支撑杆25的上端设置有坩埚旋转驱动电机26，所述坩埚卡具支撑杆25的下端延伸至所述反应成型室1内并与所述反应坩埚4固定连接，所述反应成型室1的下端与所述旋转驱动装置固定连接。第一MO源气管7、第二MO源气管8、第三MO源气管9的外侧端部分别与相应的铝有机源、钛有机源及三甲基硼的气源连接，所述第一至第三MO源气管的内侧端部经过所述反应成型室1后进入到所述反应坩埚4内；上侧的所述反应成型室1上设置有抽气及铝合金缓冲装置。

如图1以及图3所示，所述反应坩埚4包括反应坩埚下主体部分4-1和反应坩埚上主体部分4-4，所述反应坩埚下主体部分4-1与反应坩埚上主体部分4-4固定连接，所述反应坩埚下主体部分4-1的下端设置有向下延伸的反应坩埚筒4-2，所述反应坩埚筒4-2的下端设置有反应坩埚口，所述反应坩埚上主体部分4-4的上端设置有两个反应坩埚透气孔4-3；所述坩埚卡具3的上端和下端设置有开口，所述反应坩埚筒4-2延伸至所述坩埚卡具3的下端开口外，所述第一MO源气管7、第二MO源气管8、第三MO源气管9的内侧端部延伸至所述反应坩埚筒4-2内；与所述反应坩埚透气孔4-3相对应的所述反应成型室1的上侧壁上设置有两个连接孔，所述抽气及铝合金缓冲装置固定在所述连接孔内并与其相连通。

进一步的，如图1和图2所示，所述抽气及铝合金缓冲装置包括固定在所述连接孔内的缓冲坩埚21，所述缓冲坩埚21的顶部设置有与反应成型室1固定且与所述缓冲坩埚21相连通的缓冲坩埚支撑22，所述缓冲坩埚支撑22的上端设置有与其相连通的铜模23，所述铜模23的上端设置有与其相连通的多功能管道24，所述多功能管道24上设置有单向阀。

进一步的，如图1、图2和图4所示，所述坩埚卡具3的上侧设置有坩埚卡具插环3-3，与所述有坩埚卡具插环3-3相对应的反应成型室1的顶壁上设置有插入槽，安装时所述坩埚卡具插环3-3插入到所述插入槽内，所述坩埚卡具3的下端设置有内径小于所述坩埚卡具主体直径的坩埚卡具压盖3-1，插入槽中设置橡胶圈，用于密封和承压。

进一步的，如图1、图2以及图5所示，所述铝合金熔炼装置包括熔炼坩埚15，所述熔炼坩埚15的外周设置有熔炼室加热器14，所述熔炼坩埚15内设置有待熔炼的铝合金块；所述熔炼室加热器14的外侧设置有熔炼室13，所述熔炼坩埚15包括熔炼坩埚上主体15-2和熔炼坩埚下主体15-1，熔炼坩埚上主体15-2与熔炼坩埚下主体15-1之间焊接到一起，所述熔炼坩埚上主体15-2的上端盖上设置有向上延伸的排液管15-4，所述排液管15-4与所述熔炼坩埚15相连通，且所述排液管15-4的上端设置有排液口，所述排液管15-4的排液口延伸至所述碳纤维加热装置的反应坩埚4内，所述熔炼坩埚下主体15-1上设置有注压管17，所述注压管17的上端延伸至所述熔炼坩埚下主体15-2内，且与所述熔炼坩埚15相连通，所述注压管17的下端延伸至所述熔炼室13下侧壁的外侧；所述熔炼坩埚上主体15-2上侧的所述反应成型室1上设置有隔热层18，所述隔热层18的外侧端部设置有压块19，通过压块19将所述隔热层18固定在所述反应成型室1下端的开口内；所述隔热层18的上侧以及部分所述排液管15-4上设置有辅助加热器20，辅助加热丝20用于给排液管15-4进行加热。

熔炼开始前，先将铝合金块放置于熔炼坩埚下主体15-1中，然后将熔炼坩埚下主体15-1和熔炼坩埚上主体15-2固定在一起，中间形成熔炼坩埚焊缝15-3，熔炼坩埚15可以为石英材质。或者将铝合金块放置在陶瓷或者氮化硼坩埚中，然后再将其放置于熔炼坩埚下主体15-1中，然后将熔炼坩埚下主体15-1和熔炼坩埚上主体15-2焊接在一起，中间形成熔炼坩埚焊缝15-3。

进一步的，如图1和图2所示，所述旋转驱动装置包括炉体旋转驱动装置10以及炉体旋转轴11，所述碳纤维加热装置和铝合金熔炼装置固定在所述炉体旋转轴11上。所述反应成型室1的下侧壁上设置有观察窗6，熔炼坩埚15和反应坩埚4相关部件为石英制品，因此，通过所述观察窗可以方便的观察反应成型室1内的情况。

进一步的，碳纤维5的外径小于反应坩埚4的内径，大于反应坩埚管4-2的内径。碳纤维5在熔炼前装入反应坩埚下主体部分4-4中，然后再将反应坩埚上主体部分4-1与反应坩埚下主体部分4-4焊接在一起。

本发明实施例还公开了一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，所述制备方法使用所述制备系统，所述方法包括如下步骤：

1）首先测试当碳纤维加热至500-1200℃，并利用H₂作为载气将铝有机源、钛有机源及三甲基硼在纤维丝表层沉积95%以上铝钛硼细化剂层的时间，并记录该时间为t；

2）将反应成型室1固定在炉体旋转轴11的上部，将熔炼室13固定在炉体旋转轴11的下部；

3）铝合金块放置于熔炼坩埚下主体15-1中，然后将熔炼坩埚下主体15-1和熔炼坩埚上主体15-2焊接在一起形成熔炼坩埚15，之后将熔炼坩埚15放置于所述熔炼室13内；

4）碳纤维5在熔炼前装入反应坩埚下主体部分4-4中，再将反应坩埚上主体部分4-1与反应坩埚下主体部分4-4焊接在一起形成反应坩埚4；然后将反应坩埚4放置于坩埚卡具3内部，通过坩埚卡具压盖3-1将反应坩埚4固定，同时保证反应坩埚透气孔4-3、坩埚卡具透气孔3-2的中心位于一条中心线上；之后将坩埚卡具3放入反应成型室1中并固定在坩埚卡具支撑杆25的下端；同时使得反应坩埚通孔4-3、坩埚卡具通孔3-2、缓冲坩埚21中心线位于一条直线上，记录下坩埚卡具支撑杆25此时的初始位置，并做标记记录；

5）通过缓冲坩埚支撑22将缓冲坩埚21固定在反应成型室1的上端透气口内，并依次连接铜模23和多功能管道24；

6）通过多功能管道24给反应成型室1和熔炼室13抽真空至10Pa-10^-5Pa；启动坩埚旋转驱动电机26，通过坩埚卡具支撑杆25带动坩埚卡具3及反应坩埚4转动；然后第一加热系统2给反应坩埚内的碳纤维5加热至500-1200℃，然后利用H₂作为载气，通过第一MO源气管7，第二MO源气管8和第三MO源气管9分别将铝有机源、钛有机源及三甲基硼排入反应成型室1中；停止抽真空，保证整个系统的内部压力保持在10-100Torr，使得铝有机源、钛有机源及三甲基硼在碳纤维丝表层沉积形成铝钛硼细化剂层；

7）当反应达到碳纤维5中95%以上的纤维丝表层形成铝钛硼细化剂层时间t以后，根据反应时间测量当碳纤维5中95%以上的纤维丝表层形成铝钛硼细化剂层时间，停止第一MO源气管7，第二MO源气管8，第三MO源气管9中有机源的注入，停止反应坩埚4旋转，，并使得坩埚卡具支撑杆25上的位置标记回到初始位置，并使得反应坩埚通孔4-3、坩埚卡具通孔3-2、缓冲坩埚21中心线位于一条直线上；反应气体及未反应的气体随着多功能管道24排出反应成型室1；调节第一加热系统2使得反应成型室1中的温度保持500℃±10℃左右，同时通过多功能管道24给反应成型室1和熔炼室7抽真空至10Pa-10^-5Pa，并且保持抽真空状态，然后启动熔炼室加热器14给熔炼室13中的铝合金块加热至熔化，恒温700-900℃；

8）启动辅助加热器20，加热排液管15-4温度至700℃以上，使得铝合金块熔化；

9）启动炉体旋转驱动10，使得炉体旋转轴11缓慢带动反应成型室1和熔炼室13旋转180°，旋转过程中，铝合金熔体16在重力的作用下通过排液口15-4开始进入反应坩埚4中，旋转过程中通过观察窗6观察反应坩埚口4-2内的铝合金熔体的液面，防止熔体喷出反应坩埚口4-2，随时调节炉体旋转轴11的旋转速度；当旋转180°后，通过观察窗6观察反应坩埚口4-2内的铝合金熔体的液面位置，当铝合金熔体液面没过排液口15-4，通过注压管17给铝合金熔体施加压力，使得铝合金熔体进一步被压入碳纤维5的缝隙中，当铝合金熔体液面接近反应坩埚口4-2后，停止向注压管17中继续注入惰性气体，待铝合金熔体缓慢在压力下浸入到碳纤维丝的中间；当反应坩埚口4-2中铝合金液面低于反应坩埚口4-2下端面后，再次向注压管17中施压，如此反复直至整个碳纤维5内部注满铝合金熔体16；

10）过多的铝合金熔体16透过反应坩埚通孔4-3及坩埚卡具通孔3-2进入缓冲坩埚21中；铝合金熔体16通过缓冲坩埚21进入铜模23后凝固，然后控制第一加热系统2使得碳纤维5中的铝合金熔体16自反应坩埚4底部向上定向凝固，完成碳纤维增强铝合金复合材料的制备。

进一步的，本发明实施例还公开了一种碳纤维增强铝基复合材料，使用如所述的制备系统或方法进行制备。

进一步的，本发明实施例还公开了一种碳纤维增强铝基零部件，使用所述的碳纤维增强铝基复合材料进行制备。

本发明所述系统和方法通过碳纤维表层细化剂沉积与熔炼旋转一体连续成型工艺来制备碳纤维增强铝基复合材料；本发明所述系统和方法首先在反应成型室中通过化学气相沉积法，在碳纤维表层沉积一层铝钛硼细化剂，然后将在熔炼室已经熔炼好的铝合金熔体通过真空及压力浸渗结合的方法浸入已经表面沉积铝钛硼的碳纤维中，在浇铸与凝固过程中碳纤维表层沉积一层铝钛硼可以抑制碳纤维与铝合金的反应并细化铝合金组织，增强碳纤维与铝合金的结合强度。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）首先测试碳纤维加热至500-1200℃，然后利用H₂作为载气将铝有机源、钛有机源及三甲基硼在纤维丝表层上沉积95%以上铝钛硼细化剂层时间，记录该时间为t；

2）将反应成型室（1）固定在炉体旋转轴（11）的上部，将熔炼室（13）固定在炉体旋转轴（11）的下部；

3）铝合金块放置于熔炼坩埚下主体（15-1）中，然后将熔炼坩埚下主体（15-1）和熔炼坩埚上主体（15-2）焊接在一起形成熔炼坩埚（15），之后将熔炼坩埚（15）放置于所述熔炼室（13）内；

4）碳纤维（5）在熔炼前装入反应坩埚下主体部分（4-4）中，再将反应坩埚上主体部分（4-1）与反应坩埚下主体部分（4-4）焊接在一起形成反应坩埚（4）；然后将反应坩埚（4）放置于坩埚卡具（3）内部，通过坩埚卡具压盖（3-1）将反应坩埚（4）固定，同时保证反应坩埚透气孔（4-3）、坩埚卡具透气孔（3-2）的中心位于一条中心线上；之后将坩埚卡具（3）放入反应成型室（1）中并固定在坩埚卡具支撑杆（25）的下端，同时使得反应坩埚通孔（4-3）、坩埚卡具通孔（3-2）、缓冲坩埚（21）中心线位于一条直线上，记录下坩埚卡具支撑杆（25）此时的初始位置，并做标记记录；

5）通过缓冲坩埚支撑（22）将缓冲坩埚（21）固定在反应成型室（1）的上端透气口内，并依次连接铜模（23）和多功能管道（24）；

6）通过多功能管道（24）给反应成型室（1）和熔炼室（13）抽真空至10Pa-10^-5Pa；启动坩埚旋转驱动电机（26），通过坩埚卡具支撑杆（25）带动坩埚卡具（3）及反应坩埚（4）转动；然后第一加热系统（2）给反应坩埚内的碳纤维（5）加热至500-1200℃，然后利用H₂作为载气，通过第一MO源气管（7），第二MO源气管（8）和第三MO源气管（9）分别将铝有机源、钛有机源及三甲基硼排入反应成型室（1）中；停止抽真空，保证整个系统的内部压力保持在10-100Torr，使得铝有机源、钛有机源及三甲基硼在碳纤维丝表层沉积形成铝钛硼细化剂层，反应后的气体通过多功能管道（24）排出；

7）当反应达到碳纤维（5）中95%以上的纤维丝表层形成铝钛硼细化剂层时间t以后，停止第一MO源气管（7），第二MO源气管（8），第三MO源气管（9）中有机源的注入，停止反应坩埚（4）旋转，并使得坩埚卡具支撑杆（25）上的位置标记回到初始位置，使得反应坩埚通孔（4-3）、坩埚卡具通孔（3-2）、缓冲坩埚（21）中心线位于一条直线上；反应气体及未反应的气体随着多功能管道（24）排出反应成型室（1）；调节第一加热系统（2）使得反应成型室（1）中的温度保持500℃±10℃左右，同时通过多功能管道（24）给反应成型室（1）和熔炼室（7）抽真空至10Pa-10^-5Pa，并且保持抽真空状态，然后启动熔炼室加热器（14）给熔炼室（13）中的铝合金块加热至熔化，恒温700-900℃；

8）启动辅助加热器（20），加热排液管（15-4）温度至700℃以上；

9）启动炉体旋转驱动（10），使得炉体旋转轴（11）缓慢带动反应成型室（1）和熔炼室（13）旋转180°，旋转过程中，铝合金熔体（16）在重力的作用下通过排液口（15-4）开始进入反应坩埚（4）中，旋转过程中通过观察窗（6）观察反应坩埚口（4-2）内的铝合金熔体的液面，防止熔体喷出反应坩埚口（4-2），随时调节炉体旋转轴（11）的旋转速度；当旋转180°后，通过观察窗（6）观察反应坩埚口（4-2）内的铝合金熔体的液面位置，当铝合金熔体液面没过排液口（15-4），通过注压管（17）给铝合金熔体施加压力，使得铝合金熔体进一步被压入碳纤维（5）的缝隙中，当铝合金熔体液面接近反应坩埚口（4-2）后，停止向注压管（17）中继续注入惰性气体，待铝合金熔体缓慢在压力下浸入到碳纤维丝的中间；当反应坩埚口（4-2）中铝合金液面低于反应坩埚口（4-2）下端面后，再次向注压管（17）中施压，如此反复直至整个碳纤维（5）内部注满铝合金熔体（16）；

10）过多的铝合金熔体（16）透过反应坩埚通孔（4-3）及坩埚卡具通孔（3-2）进入缓冲坩埚（21）中；铝合金熔体（16）通过缓冲坩埚（21）进入铜模（23）后凝固，然后控制第一加热系统（2）使得碳纤维（5）中的铝合金熔体（16）自反应坩埚（4）底部向上定向凝固，完成碳纤维增强铝合金复合材料的制备。

2.如权利要求1所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法使用碳纤维增强铝基复合材料制备系统，所述制备系统包括碳纤维加热装置、铝合金熔炼装置、旋转驱动装置以及炉体旋转支架（12），所述旋转驱动装置可转动的连接在所述炉体旋转支架（12）的上端，所述碳纤维加热装置与铝合金熔炼装置上下相对的固定在所述旋转驱动装置上，所述碳纤维加热装置用于对其内的碳纤维（5）进行加热并在所述碳纤维（5）的表面形成一层细化剂层；所述铝合金熔炼装置用于将其内的铝合金块熔炼成铝合金熔体（16）；形成铝合金熔体（16）后通过所述旋转驱动装置驱动所述碳纤维加热装置与铝合金熔炼装置的位置互换，使产生的铝合金熔体（16）进入到所述碳纤维加热装置内部，使所述铝合金熔体与所述碳纤维结合形成碳纤维增强铝基复合材料。

3.如权利要求2所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳纤维加热装置包括反应坩埚（4），所述反应坩埚（4）的外侧设置有坩埚卡具（3），所述反应坩埚（4）的内部设置有碳纤维（5），所述坩埚卡具（3）的外周设置有第一加热系统（2），所述第一加热系统（2）的外侧设置有反应成型室（1），所述反应成型室（1）的上侧设置有坩埚卡具支撑杆（25），所述坩埚卡具支撑杆（25）的上端设置有坩埚旋转驱动电机（26），所述坩埚卡具支撑杆（25）的下端延伸至所述反应成型室（1）内并与所述反应坩埚（4）固定连接，所述反应成型室（1）的下端与所述旋转驱动装置固定连接，第一MO源气管（7）、第二MO源气管（8）、第三MO源气管（9）的外侧端部分别与相应的铝有机源、钛有机源及三甲基硼的气源连接，所述第一至第三MO源气管的内侧端部经过所述反应成型室（1）后进入到所述反应坩埚（4）内；上侧的所述反应成型室（1）上设置有抽气及铝合金缓冲装置。

4.如权利要求3所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述反应坩埚（4）包括反应坩埚下主体部分（4-1）和反应坩埚上主体部分（4-4），所述反应坩埚下主体部分（4-1）与反应坩埚上主体部分（4-4）固定连接，所述反应坩埚下主体部分（4-1）的下端设置有向下延伸的反应坩埚筒（4-2），所述反应坩埚筒（4-2）的下端设置有反应坩埚口，所述反应坩埚上主体部分（4-4）的上端设置有两个反应坩埚透气孔（4-3）；所述坩埚卡具（3）的上端和下端设置有开口，所述反应坩埚筒（4-2）延伸至所述坩埚卡具（3）的下端开口外，所述第一MO源气管（7）、第二MO源气管（8）、第三MO源气管（9）的内侧端部延伸至所述反应坩埚筒（4-2）内；与所述反应坩埚透气孔（4-3）相对应的所述反应成型室（1）的上侧壁上设置有两个连接孔，所述抽气及铝合金缓冲装置固定在所述连接孔内并与其相连通。

5.如权利要求4所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述抽气及铝合金缓冲装置包括固定在所述连接孔内的缓冲坩埚（21），所述缓冲坩埚（21）的顶部设置有与反应成型室（1）固定且与所述缓冲坩埚（21）相连通的缓冲坩埚支撑（22），所述缓冲坩埚支撑（22）的上端设置有与其相连通的铜模（23），所述铜模（23）的上端设置有与其相连通的多功能管道（24），所述多功能管道（24）上设置有单向阀。

6.如权利要求4所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述坩埚卡具（3）的上侧设置有坩埚卡具插环（3-3），与所述有坩埚卡具插环（3-3）相对应的反应成型室（1）的顶壁上设置有插入槽，安装时所述坩埚卡具插环（3-3）插入到所述插入槽内，所述坩埚卡具（3）的下端设置有内径小于所述坩埚卡具主体直径的坩埚卡具压盖（3-1）。

7.如权利要求4所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铝合金熔炼装置包括熔炼坩埚（15），所述熔炼坩埚（15）的外周设置有熔炼室加热器（14），所述熔炼坩埚（15）内设置有待熔炼的铝合金块；所述熔炼室加热器（14）的外侧设置有熔炼室（13），所述熔炼坩埚（15）包括熔炼坩埚上主体（15-2）和熔炼坩埚下主体（15-1），熔炼坩埚上主体（15-2）与熔炼坩埚下主体（15-1）之间焊接到一起，所述熔炼坩埚上主体（15-2）的上端盖上设置有向上延伸的排液管（15-4），所述排液管（15-4）与所述熔炼坩埚（15）相连通，且所述排液管（15-4）的上端设置有排液口，所述排液管（15-4）的排液口延伸至所述碳纤维加热装置的反应坩埚（4）内，所述熔炼坩埚下主体（15-1）上设置有注压管（17），所述注压管（17）的上端延伸至所述熔炼坩埚下主体（15-2）内，且与所述熔炼坩埚（15）相连通，所述注压管（17）的下端延伸至所述熔炼室（13）下侧壁的外侧；所述熔炼坩埚上主体（15-2）上侧的所述反应成型室（1）上设置有隔热层（18），所述隔热层（18）的外侧端部设置有压块（19），通过压块（19）将所述隔热层（18）固定在所述反应成型室（1）下端的开口内；所述隔热层（18）的上侧以及部分所述排液管（15-4）上设置有辅助加热器（20）。

8.如权利要求4所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述旋转驱动装置包括炉体旋转驱动装置（10）以及炉体旋转轴（11），所述碳纤维加热装置和铝合金熔炼装置固定在所述炉体旋转轴（11）上；铝有机源包括三甲基铝、三乙基铝或二乙基氯化铝，钛有机源包括四甲基钛、三异丙醇甲基钛或三氯化甲基钛。

9.一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于：使用如权利要求1-8中任意一项所述的制备方法进行制备。

10.一种碳纤维增强铝基零部件，其特征在于：使用如权利要求9所述的碳纤维增强铝基复合材料进行制备。