CN110484839A - 一种具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：将纳米Si粉分散于有机溶剂中，配制成纳米Si悬浮液；将所述纳米Si悬浮液涂覆于碳纤维增强体表面，干燥，得纳米Si粉涂覆碳纤维增强体；将所述纳米Si粉涂覆碳纤维增强体固定成板状纤维束，得纤维预制体；将所述纤维预制体于模具中，在保护气体氛围下，预热，加入铝金属的熔炼液，在40‑70MPa压力和750‑1000℃温度的条件下反应，再降温至室温，得具有原位自生SiC晶须的所述具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料。该方法在形成碳纤维增强铝复合材料的过程中原位自生成SiC晶须，极大的提高了碳纤维增强铝复合材料层间强度。

Description

一种具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及纤维增强技术领域。更具体地，涉及一种具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料的制备方法。
背景技术
碳纤维增强铝(Cf/Al)复合材料具有高比强度、高比模量的性能，因而Cf/Al可作为先进结构材料，在航空、航天、交通、能源等领域具有广泛的应用前景。对于Cf/Al复合材料，尽管在碳纤维主导的面内表现出优异的性能，但由于较弱的基体性能与界面性能，使得复合材料容易产生分层损伤，使得Cf/Al复合材料的强度与刚度大大降低，甚至导致复合材料在服役过程中失效。目前，对于复合材料层间增韧的主要途径有改善基体合金成分、加入增强结构、引入高韧性夹层和添加弥散增强体。其中，在层间引入晶须、颗粒等增强体的方法，因具有工艺简单，不损伤预制体等优点而被广泛研究。SiC晶须具有高强度、高热导率、高耐磨性、腐蚀等优异性能，同时与基体有良好的相容性而被广泛应用。目前，在Cf/Al复合材料中加入SiC晶须的步骤为：首先在碳纤维上涂覆或生长SiC晶须，接着制备Cf/Al复合材料。但是，本申请发明人发现，在涂覆SiC晶须过程中，由于SiC具有较大的长径比而极易团聚，SiC晶须不能均匀分散在碳纤维表面，同时，SiC晶须与碳纤维之间无作用力，大大削弱层间增韧效果。
发明内容
基于以上实施，本发明的目的在于提供一种具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料的制备方法，该方法在形成碳纤维增强铝复合材料的过程中原位自生成SiC晶须，极大的提高了碳纤维增强铝复合材料层间强度。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将纳米Si粉分散于有机溶剂中，配制成纳米Si悬浮液；
将所述纳米Si悬浮液涂覆于碳纤维增强体表面，干燥，得纳米Si粉涂覆碳纤维增强体；
将所述纳米Si粉涂覆碳纤维增强体固定成板状纤维束，得纤维预制体；
将所述纤维预制体于模具中，在保护气体氛围下，预热，加入铝金属的熔炼液，在40-70MPa压力和750-1000℃温度的条件下反应，再降温至室温，得具有原位自生SiC晶须的所述具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料。
可以理解，本发明中提到的“碳纤维增强体”为单向纤维、二维碳纤维布或碳纤维经三维编织制成的编制件。
可选地，按所述纳米Si粉、碳纤维增强体和铝金属的总质量为100％计，其中，包含：
碳纤维增强体 50-80％；
纳米Si粉 3-6％；
铝金属 余量。
可选地，所述纳米Si粉的粒径为2-20nm。
可选地，所述纳米Si粉的制备包括如下步骤：
将Si粉于压力为0.01×105Pa～0.3×105Pa的惰性气氛中，球磨，得纳米级的Si粉；
将所述纳米级的Si粉经酸洗、水洗、干燥，得所述纳米Si粉。
可选地，所述Si粉的纯度为99.99％以上。
可选地，所述球磨的速度为310r/min～520r/min，球磨的时间为8-24h，球料质量比为15-35:1。
可选地，所述酸洗的条件为：在1-6％的盐酸溶液中浸渍24-36h。
可选地，所述保护气体为氩气、氦气、氮气中的一种。
可选地，所述预热的温度为480-600℃，时间为2-4h。
可选地，所述铝金属为单质铝或铝合金。
可选地，所述铝合金选自Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Be合金、Al-Li合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或几种的组合。
可选地，所述Al-Si合金中Si的质量分数为0.5％～25％；所述Al-Cu合金中Cu的质量分数为0.5％～53％；所述Al-Mg合金中Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Be合金中Be的质量分数为0.5％～20％；Al-Li合金中Li的质量分数为0.5％～35％；Al-Si-Cu-Mg合金Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。
可选地，所述保护气体选自氮气、氩气或氦气。
可选地，所述反应的时间为40-80min。
可选地，所述降温至室温的速率为20～40℃/min。
可选地，所述纳米Si悬浮液的质量浓度为55-75％；优选地，所述有机溶剂选自乙醇、甲醇、丙酮、聚乙二醇、正丁醇中的一种或几种。
可选地，配制纳米Si悬浮液是经过超声分散得到；所述超声分散的功率为300-400W，时间为10-20min。
本发明的有益效果如下：
本发明的制备方法中，采用原位自生长的方法在碳纤维表面生长SiC晶须，极大的提高了碳纤维增强体与铝基体界面结合能力，从而提升层间结合力。该SiC晶须的自生长的方法相比较目前的模版法、化学气相沉积法和碳热还原法等原料价格低、条件也更简单。通过本发明的制备方法，制备得到的碳纤维增强铝复合材料中SiC晶须直径在2nm～30nm之间,长度能达到50μm左右，且该复合材料在保持高的纵向拉伸强度的同时，层间剪切强度提高了60％以上。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出对比例1所得到的复合材料中碳纤维(a)与实施例1复合材料中原位自生SiC晶须(b)的微观组织图片。
图2示出实施例1-7和对比例1-3所得到的复合材料的层间剪切强度对比图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
一种具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称料：按质量分数称取50％的碳纤维增强体(单向纤维)，3％的Si粉和余量的6061铝合金；
2)制备纳米Si粉：将步骤1)称取的Si粉装入真空球磨罐中，球料质量比为35：1，并将真空球磨罐进行抽真空处理，然后向真空球磨罐中充入0.01×105Pa的纯度为99.99％以上的氩气，以520r/min的球磨速度球磨24h，得到粒径为2nm的Si粉；
3)酸洗：将步骤2)得到的2nm的Si粉浸渍在2％盐酸溶液中，浸渍时间为25h，得到酸洗后的粉体；
4)水洗：将步骤3)酸洗的到的纳米Si粉用蒸馏水水洗，在60℃的烘干箱中烘干7小时，得到纯净的纳米Si粉；
5)超声分散及增强体的处理：将步骤4)得到的纳米Si粉分散于乙醇溶液中，在功率为300W下，超声分散15min，配制成质量浓度为50％的悬浮液；然后将质量浓度为55％的纳米Si悬浮液涂覆到步骤1)称取的碳纤维增强体表面，在20℃的烘干箱中烘干，得到纳米Si粉涂覆碳纤维增强体；
6)预制体制备及预热：将步骤5)中所得的纳米Si粉涂覆碳纤维增强体利用石墨模具进行固定成板状纤维束，得到纤维预制体；将纤维预制体放入钢模具中，在保护气氛下，在600℃预热2h；同时在保护气氛下，将步骤1)称取的基体合金在800℃的条件下进行熔炼；
7)压力浸渗：将步骤6)熔炼液浇注到步骤6)中的钢模具中，在压力50MPa和温度为800℃的条件下，保温40min，然后以40℃/min的速度冷却至室温后脱模，得到具有原位自生SiC晶须的碳纤维增强铝基复合材料。
其中，图1a)为对比例1所得到的复合材料中碳纤维微观组织图片，图1b)为实施例1复合材料中原位自生SiC晶须的微观组织图片(都为复合材料腐蚀后照片)。未加Si粉所制备复合材料的碳纤维表面清洁，未发现晶须，加入Si粉后，碳纤维表面原位自生SiC晶须(SiC与碳纤维不会被腐蚀液腐蚀)，SiC晶须分散均匀，未发现团聚现象。
实施例2
一种原位自生SiC晶须提高碳纤维增强铝复合材料层间强度的制备方法，包括如下步骤：
1)称料：按质量分数称取50％的碳纤维增强体(单向纤维)，6％的Si粉和余量的6061铝合金；
2)制备纳米Si粉：将步骤1)称取的Si粉装入真空球磨罐中，球料质量比为15：1，并将真空球磨罐进行抽真空处理，然后向真空球磨罐中充入0.02×105Pa的纯度为99.99％以上的氩气，以310r/min的球磨速度球磨12h,得到粒径为20nm的Si粉；
3)酸洗：将步骤2)得到的20nm的Si粉浸渍在5％盐酸溶液中，浸渍时间为16h,得到酸洗后的粉体；
4)水洗：将步骤3)酸洗的到的纳米Si粉用蒸馏水水洗，在50℃的烘干箱中烘干10小时，得到纯净的纳米Si粉；
5)超声分散及增强体的处理：将步骤4)得到的纳米Si粉分散于乙醇溶液中，在功率为400W下，超声分散20min，配制成质量浓度为55％的悬浮液。然后将质量浓度为55％的纳米Si悬浮液涂覆到步骤1)称取的碳纤维增强体表面，在30℃的烘干箱中烘干，得到纳米Si粉涂覆碳纤维增强体；
6)预制体制备及预热：将步骤5)中所得的纳米Si粉涂覆碳纤维增强体利用石墨模具进行固定成板状纤维束，得到纤维预制体；将纤维预制体放入钢模具中，在保护气氛下，在600℃预热3h；同时在保护气氛下，将步骤1)称取的基体合金在900℃的条件下进行熔炼；
7)压力浸渗：将步骤6)熔炼液浇注到步骤6)中的钢模具中，在压力60MPa和温度为800℃的条件下，保温60min，然后以30℃/min的速度冷却至室温后脱模，得到具有原位自生SiC晶须的碳纤维增强铝基复合材料。
实施例3
一种原位自生SiC晶须提高碳纤维增强铝复合材料层间强度的制备方法，包括如下步骤：
1)称料：按质量分数称取80％的碳纤维增强体(单向纤维)，6％的Si粉和余量的基体6061铝合金；
2)制备纳米Si粉：将步骤1)称取的Si粉装入真空球磨罐中，球料质量比为35：1，并将真空球磨罐进行抽真空处理，然后向真空球磨罐中充入0.01×105Pa的纯度为99.99％以上的氩气，以520r/min的球磨速度球磨24h,得到粒径为5nm的Si粉；
3)酸洗：将步骤2)得到的5nm的Si粉浸渍在5％盐酸溶液中，浸渍时间为30h,得到酸洗后的粉体；
4)水洗：将步骤3)酸洗的到的纳米Si粉用蒸馏水水洗，在60℃的烘干箱中烘干6.5小时，得到纯净的纳米Si粉；
5)超声分散及增强体的处理：将步骤4)得到的纳米Si粉分散于乙醇溶液中，在功率为400W下，超声分散20min，配制成质量浓度为60％的悬浮液。然后将质量浓度为60％的纳米Si悬浮液涂覆到步骤1)称取的碳纤维增强体表面，在40℃的烘干箱中烘干，得到纳米Si粉涂覆碳纤维增强体；
6)预制体制备及预热：将步骤5)中所得的纳米Si粉涂覆碳纤维增强体利用石墨模具进行固定成板状纤维束，得到纤维预制体；将纤维预制体放入钢模具中，在保护气氛下，在500℃预热2～4h；同时在保护气氛下，将步骤一称取的基体合金在800℃的条件下进行熔炼；
7)压力浸渗：将步骤6)熔炼液浇注到步骤6)中的钢模具中，在压力60MPa和温度为900℃的条件下，保温50min，然后以30℃/min的速度冷却至室温后脱模，得到具有原位自生SiC晶须的碳纤维增强铝基复合材料。
实施例4
重复实施例1，区别在于，将步骤1)中的碳纤维增强体改为二维纤维布，其余条件不变，制备得到具有原位自生SiC晶须的碳纤维增强铝基复合材料。
实施例5
重复实施例1，区别在于，将步骤7)中的压力改为70MPa，其余条件不变，制备得到具有原位自生SiC晶须的碳纤维增强铝基复合材料。
实施例6
重复实施例1，区别在于，将步骤7)中的温度改为1000℃，其余条件不变，制备得到具有原位自生SiC晶须的碳纤维增强铝基复合材料。
实施例7
重复实施例1，区别在于，将步骤7)中的温度改为750℃，其余条件不变，制备得到具有原位自生SiC晶须的碳纤维增强铝基复合材料。
对比例1
制备碳纤维增强铝基复合材料，方法同实施例1，区别在于，不加入纳米Si粉。
对比例2
重复实施例1，区别在于，将步骤7)中的压力改为30MPa，其余条件不变，制备得到碳纤维增强铝复合材料。
对比例3
重复实施例1，区别在于，将步骤7)中的温度改为700℃，其余条件不变，制备得到碳纤维增强铝复合材料。
其中，实施例1-7和对比例1-7所得到的复合材料的层间剪切强度对比图如图2所示。图2中，标记1-7分别为实施例1-7所得复合材料的层间剪切强度；标记8为对比例1所得复合材料的层间剪切强度；标记9为对比例2所得复合材料的层间剪切强度；标记10为对比例3所得复合材料的层间剪切强度。从图2可看出，较对比例1的层间剪切强度，加入Si粉所制备的复合材料层间剪切强度提升16％～104％；在剪切强度测试中，位移越大，说明材料的韧性越高，同理可知，较对比例1的层间剪切强度，加入Si粉所制备的复合材料韧性得到显著提升，同时，加入Si粉所制备复合材料的剪切曲线达到最大载荷后，曲线呈现更多的台阶状，避免材料的脆性断裂，从而展现更好的韧性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将纳米Si粉分散于有机溶剂中，配制成纳米Si悬浮液；
将所述纳米Si悬浮液涂覆于碳纤维增强体表面，干燥，得纳米Si粉涂覆碳纤维增强体；
将所述纳米Si粉涂覆碳纤维增强体固定成板状纤维束，得纤维预制体；
将所述纤维预制体于模具中，在保护气体氛围下，预热，加入铝金属的熔炼液，在40-70MPa压力和750-1000℃温度的条件下反应，再降温至室温，得具有原位自生SiC晶须的所述具有高的层间强度的碳纤维增强铝复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按所述纳米Si粉、碳纤维增强体和铝金属的总质量为100％计，其中，包含：
碳纤维增强体 50-80％；
纳米Si粉 3-6％；
铝金属 余量。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米Si粉的粒径为2-20nm；优选地，所述纳米Si粉的制备包括如下步骤：
将Si粉于压力为0.01×105Pa～0.3×105Pa的惰性气氛中，球磨，得纳米级的Si粉；
将所述纳米级的Si粉经酸洗、水洗、干燥，得所述纳米Si粉。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的速度为310r/min～520r/min，球磨的时间为8-24h，球料质量比为15-35:1。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述酸洗的条件为：在1-6％的盐酸溶液中浸渍24-36h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氩气、氦气、氮气中的一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为480-600℃，时间为2-4h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝金属为单质铝或铝合金。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反应的时间为40-80min；优选地，所述降温至室温的速率为20～40℃/min。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米Si悬浮液的质量浓度为55-75％；优选地，所述有机溶剂选自乙醇、甲醇、丙酮、聚乙二醇、正丁醇中的一种或几种；优选地，配制纳米Si悬浮液是经过超声分散得到；所述超声分散的功率为300-400W，时间为10-20min。
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