CN110468358A - 一种碳纤维增强的金属陶瓷基复合材料支撑桶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐高温复合材料领域，涉及一种碳纤维增强金属陶瓷基复合材料支撑桶及其制备方法，即采用碳纤维增强金属复合材料支撑桶的强度，其中碳化硅基体通过化学气相渗透制备。本发明的有益效果在于：（1）比重相比于钢铁钛合金而言较低，较好的实现了材料轻量化的目标；（2）强度高于中碳钢，与钛合金相近而又比铝合金略高；（3）耐磨性相比于钛合金铝合金均有所提高。

Description

一种碳纤维增强的金属陶瓷基复合材料支撑桶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种由碳纤维增强的金属复合材料支撑桶及其制备方法，具体涉及一种由碳纤维增强的铝基（或铜基）与陶瓷基复合材料支撑桶及其制备方法。
背景技术
航天、航空、电子、汽车等高科领域的迅速发展对材料性能的需求和标准日渐增长，单一形态或性能的工程材料已难以满足急速增长的性能需求。技术迅速发展的今天，人们逐渐地根据结构或零件的性能要求和条件，选择两种或两种以上化学、物理性质不同的材料，按一定的结合方式、加入比例以及布形式组合而成的复合材料，以达到克服单一材料性能的局限性，同时可以满足特殊性能或综合性能的目的。例如碳钢具有价格低、容易冶炼，加工工艺性好，改善性能方便，但是 淬透性差，强度级别低、屈强比低，回火稳定性差，耐热性差，碳钢在韧脆转换温度以下变脆，不能抵御大气、酸碱盐的腐蚀；合金的优点：如使熔点降低，便于铸造成型，增加某些特殊性能（耐高温，耐高压等），合金的硬度大于其组成的金属，但也有其不足，易形成电化学腐蚀；而单纯的碳陶材料耐高温性能好但强度不够高。
碳纤维增强金属基复合材料由于高比强度、耐高温、良好的抗磨损能力、稳定的尺寸等特点，成为金属基复合材料的一个重要发展方向，其具有较低的成本、简单的操作、优异的力学性能（如韧性及疲劳等综合力学性能较好）以及可加工性好等优势，同时还具有热力学性能优异、电学性能良好以及耐磨损、抗老化和无污染等优点。其在力学性能方面具有较大的提升且能在更高的温度环境服役，与树脂基复合材料相比具有更优良的综合性能。重量轻、强度高、适用于复杂多样环境，在飞机发动机、火箭发动机热区以及超音速飞机表面和航空领域具有广泛的应用前景。
中国发明专利（申请号：CN201710148989.4专利名称：碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法）公开了一种碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法。具体为利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料。传统激光烧结制备的金属材料，机械强度弱于锻件；而混合有纳米纤维烧结形成的碳纤维金属材料，其机械性能以及耐磨性大幅提高。与碳纤维金属材料的制备方法类似，提升金属粉末烧结后的机械强度、耐磨性。
目前存在的技术问题是采用传统合金支撑桶易造成电化学腐蚀无法适应于复杂多样环境，而3D打印技术制造碳纤维增强金属基复合材料支撑桶时，机械强度仍然不够高。
发明内容
为解决上述问题，本发明的公开了一种碳纤维增强的金属复合材料支撑桶及其制备方法。
该复合材料由碳纤维、铝合金或铜合金组成，其特征在于C元素体积分数占40-50%，Si元素体积分数占5-20%，铝元素或铜元素体积分数占35-55%，其他为合金元素。
一种由碳纤维增强的金属陶瓷基复合材料支撑桶的制备方法，其特征在于包括以下顺序的步骤：
（1）制备支撑桶石墨模具，将碳纤维或碳布缠绕至支撑桶模具上；
（2）以碳纤维为预制体，以C2H4，CH4为碳源，通过化学气相渗透法于900-1100 ℃沉积热解碳界面；
（3）以三氯甲基硅烷为先驱体通过化学气相渗透法制备碳化硅基体；
（4）将步骤（3）处理后预制件的装入工装模具中，然后放入真空气压浸渗炉中，预热至500-700℃，压力铸造铝合金，加注气压至0.5-5.0MPa，降温后拆除工装模具得到碳纤维增强的金属陶瓷基复合材料支撑桶。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：（1）比重相比于钢铁钛合金而言较低，较好的实现了材料轻量化的目标；（2）强度高于中碳钢，与钛合金相近而又比铝合金略高；（3）耐磨性相比于钛合金铝合金均有所提高。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1：
（1）制备支撑桶圆筒石墨模具，把碳纤维或碳布缠绕至支撑桶圆筒模具上；
（2）以碳纤维为预制体，以C2H4为碳源，通过化学气相渗透法于1100 ℃沉积热解碳界面，界面相的厚度为1μm；
（3）待炉温降至室温时取出，以三氯甲基硅烷为先驱体通过化学气相渗透法制备碳化硅基体，厚度为1-2μm；
（4）将步骤（3）处理后预制件的装入工装模具中，然后放入真空气压浸渗炉中，抽真空至0.01Pa，预热至550℃并保温2h，将熔融铝合金浇注到工装模具中，加注气压至2MPa，并保压2h，降温后拆除工装模具得到碳纤维增强的金属复合材料支撑桶。
该复合材料室温抗弯强度达400MPa，断裂韧性优良，可在300℃长期工作，400℃短时间工作，400℃强度保持率50%。
实施例2：
（1）制备支撑桶方筒石墨模具，把碳纤维或碳布缠绕至支撑桶方筒模具上；
（2）以碳纤维为预制体，以CH4为碳源，通过化学气相渗透法于1000℃沉积热解碳界面，界面相的厚度为1.5μm；
（3）待炉温降至室温时取出，以三氯甲基硅烷为先驱体通过化学气相渗透法制备碳化硅基体，厚度为5-10μm；
（4）将步骤（3）处理后预制件的装入工装模具中，然后放入真空气压浸渗炉中，抽真空至0.01Pa，预热至700℃并保温1h，将熔融铝合金浇注到工装模具中，加注气压至3.0MPa，并保压1h，降温后拆除工装模具得到碳纤维增强的金属复合材料支撑桶。
该复合材料室温抗弯强度达500MPa，断裂韧性优良，可在300℃长期工作，可在400℃短时间工作，400℃高温强度保持率80%。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (2)

1.一种碳纤维增强的金属陶瓷基复合材料支撑桶，该复合材料由碳纤维、铝合金或铜合金组成，其特征在于C元素体积分数占40-50%，Si元素体积分数占5-20%，铝元素或铜元素体积分数占35-55%，其他为合金元素。
2.一种由碳纤维增强的金属陶瓷基复合材料支撑桶的制备方法，其特征在于包括以下顺序的步骤：
制备支撑桶石墨模具，将碳纤维或碳布缠绕至支撑桶模具上；
以碳纤维为预制体，以C2H4，CH4为碳源，通过化学气相渗透法于900-1100 ℃沉积热解碳界面；
以三氯甲基硅烷为先驱体通过化学气相渗透法制备碳化硅基体；
将步骤（3）处理后预制件的装入工装模具中，然后放入真空气压浸渗炉中，预热至500-700℃，压力铸造铝合金，加注气压至0.5-5.0MPa，降温后拆除工装模具得到碳纤维增强的金属陶瓷基复合材料支撑桶。
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