CN111085674A - 一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料及制备装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维复合增强材料技术领域，尤其是一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念，通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到金属基体中，使碳纤维布的波纹形的起伏方向与塑性轧制方向一致；在后续的塑性轧制变形过程中，所述波纹形碳纤维布耦合铝合金基体协同延展变形，实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配。本发明还涉及用于将碳纤维布以波纹型植入到金属基体中的专用设备以及制备可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的方法。本发明将内层的碳纤维布以波纹形态存在与金属基体中，以便在后续的热塑性轧制过程中，该波纹形结构的碳纤维能够耦合铝合金基体实现协同延展变形，从而克服碳纤维不具有延展性所带来的弊端。

Description

一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料及制备装置和 方法

技术领域

本发明属于特殊结构复合材料制备技术领域，具体涉及一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料及其制备装置和制备方法。

背景技术

铝合金是近年来发展最为迅速的一种轻量化结构材料，因其低密度、高弹性模量、高比强度、高比刚度及耐腐蚀等诸多优异性能，已经成为航空航天等对重量要求苛刻的高技术领域中不可或缺的结构材料。随着航空航天领域的发展，高水平或超高水平的航空航天活动日益频繁，克服极端服役条件的需求愈发强烈，导致飞行器和航天器对轻质铝合金构件的承载能力和抗损伤容限提出了更高的要求。

碳纤维具有高比模量、高断裂强度、耐高温和抗疲劳等优异性能，将其作为增强相植入到铝合金基体中，能充分发挥碳纤维多维度增强和铝合金形变强化协同作用，在完成减重效益的同时还可以有效地提高合金的强度和抗损伤容限能力。加入碳纤维增强后的铝基复合材料的模量比铝合金高2-4倍，疲劳强度也比铝合金高出30％以上。

现有技术通常是采用挤压铸造、压力浸渗和粉末冶金等方法制备出无塑性变形态可协同延展的碳纤维增强铝基复合材料。然而，目前的铝合金构件主要是以塑性变形态使用(以我国大飞机C919机身蒙皮、长桁及支柱为例，其主要采用多级热处理和多道次塑性变形制备而成)。但是，碳纤维不具备延展性，与铝合金基体之间的延展性存在较大差异；在铝合金铸坯塑性变形过程中，碳纤维无法有效协同合金基体延展而被拉断，成为限制塑性变形态可协同延展的碳纤维增强铝基复合材料开发的关键技术难题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决碳纤维与金属基体之间的延展性差异所导致的轧制塑性变形过程中碳纤维增强相断裂失效的问题，本发明提供一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念及相应的制备装置和方法，可实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配的目的，从而得到高强度的可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一方面，本发明提供一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念，通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到金属基体中，使碳纤维布的波纹形的起伏方向与塑性轧制方向一致；在金属基复合材料的塑性轧制变形过程中，所述波纹型碳纤维布耦合金属基体协同延展变形，实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配。

具体地，通过在碳纤维布凝固在金属熔体的过程中，使碳纤维布被弯折成波纹形，随着金属熔体的凝固，碳纤维布以波纹形态镶嵌在金属基体中，使金属基体的断面呈

形，其中波纹线表示碳纤维布。由于碳纤维布预先以波纹型植入在金属基体中，在后续的热塑性轧制变形过程中，金属基体发生延展，同时碳纤维布由波纹状向平直状变形，与金属基体实现“协同延展”，避免碳纤维布材料本身不具延展性而发生断裂，导致碳纤维布增强相的增强效果减弱或失效。

优选地，根据实际需求，所述碳纤维的数量为一片或一片以上；例如可为两片、三片、四片等，且均以波纹形态植入在所述金属基体中。

根据本发明较佳实施例，植入的碳纤维布以波纹型凝固在金属基体内，通过调节碳纤维布的波纹的形状尺寸因子限制复合材料的结构特性，进而实现金属基复合材料在塑性轧制过程中波纹型碳纤维耦合金属基体协同延展伸长；所述尺寸因子包括宽度D值、振幅A值和植入位置R值；所述宽度D值指代波纹的相邻两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹的波峰到波谷的垂直距离，所述R值表示碳纤维到金属基体边缘的距离。通过调节碳纤维布的波纹型的形状尺寸因子，可实现碳纤维布延展性能的调节，以满足实际需求。

优选地，所述金属基体为铝合金基体，所述铝合金基体包括但不限于纯铝、铝镁合金和铝锂合金。

另一方面，本发明还提供一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备装置，其包括固定支架、不锈钢模具、旋转磁场发生单元；所述固定支架用来对不锈钢模具和旋转磁场发生单元进行固定并调整两者的相对位置；所述旋转磁场发生单元设于所述不锈钢模具的外侧；

所述不锈钢模具包括一个容槽，所述容槽前后两侧设有两个竖直插入容槽内的插板，所述插板上设有波纹形槽道；所述波纹形槽道用于固定碳纤维布，借助所述波纹形槽道使平直的碳纤维布弯折成波纹形状固定在所述容槽中；所述不锈钢模具用于盛放金属熔体；

所述旋转磁场发生单元提供磁场对所述不锈钢模具内的金属熔体进行搅拌，以强化金属熔体与碳纤维布之间的界面浸渗作用。

作为本发明一个较佳实施例，所述插板与所述容槽为一体成型；或者所述插板为可拆卸地插在所述容槽的前后两侧；所述插板上设有两条波纹形槽道，用于将两片碳纤维布以波纹形弯曲状态固定在所述容槽内。

作为本发明一个较佳实施例，所述两条波纹形槽道之间间距为10mm，所述两条波纹形槽道呈中心对称；波纹形槽道的槽宽为碳纤维布厚度的 100-105％，使碳纤维布能够顺利地固定在波纹形槽道中，并被弯曲为波纹形。

作为本发明一个较佳实施例，所述旋转磁场发生单元由三相三极对E 型线圈组成；所述插板上的波纹形槽道，根据插板不同，具有不同的度D 值、振幅A值和植入位置R值；所述宽度D值指代波纹形槽道的相邻两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹形槽道的波峰到波谷的垂直距离，所述R值表示波纹形槽道到插板边缘的距离。

再一方面，本发明提供了一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其采用上述任一方案所述的制备装置，制备步骤如下：

S1、熔炼金属基体：熔炼金属基体至熔融状态，得到金属熔体；

S2、预热处理：将不锈钢模具与碳纤维布进行预热；

S3、金属基体和碳纤维的渗浸：具体包括：

S3-1、将预热后的碳纤维布插放至所述插板上的波纹形槽道中，使碳纤维布以波纹形状固定在所述容槽中；

S3-2、向不锈钢模具的容槽内浇铸步骤S1得到的金属熔体；

S3-3、开启旋转磁场发生单元，该旋转磁场发生单元产生的洛仑磁力对金属熔体进行电磁搅拌，以强化金属熔体和碳纤维布之间的界面渗浸作用，直到金属熔体凝固，得到碳纤维增强的铝合金铸锭；其中，碳纤维布以波纹型镶嵌在金属基体中；

S4：热塑性变形轧制：

对步骤S3得到的铝合金铸锭进行热塑性变形轧制，轧制方向与所述碳纤维布的波纹起伏方向一致；通过热塑性变形轧制，碳纤维布耦合金属基体协同延展变形，得到高强可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料。

优选地，步骤S1中，金属熔体为铝熔体，所述金属基体为铝合金基体，包括但不限于纯铝、铝镁合金、铝锂合金、共晶铝硅合金和2219铝合金。

优选地，所述金属基体的熔炼温度为700-780℃，当金属基体完全熔融后，保温15-25min。

优选地，步骤S2中，采用电炉预热所述不锈钢模具；采用箱式干燥箱预热碳纤维布，预热温度均为450-550℃。

优选地，步骤S3中，所述旋转磁场的磁通量密度为15-35mT、频率为40-60Hz。

优选地，热塑性变形轧制共进行4次，依次为1次粗轧制和3次精轧制；热塑性轧制的总变形量控制在80％以内；粗轧制的变形量控制在 50％以内，每次精轧变形量控制在10％以内；前三次热轧制温度保持在 400-650℃，最后一次精轧温度为180-220℃；整个热塑性变形过程中轧制速率控制在0.5-0.9m/s。

需要说明的是，根据碳纤维增强的铝合金材料的用途不同，在后续热塑性轧制过程中轧制道次、轧制变形量也不同，而植入到所述金属基体中的波纹型碳纤维布的波纹的形状尺寸因子也需进行相应调节，使经过热塑性轧制后碳纤维布不致发生断裂为宜。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的高强可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备装置和制备方法可解决现有技术中碳纤维增强相与金属基体之间延展性不匹配问题，可从根本上实现在塑性变形过程中碳纤维增强相与铝基合金协同延展。这可以为我国航天航空领域所需新型轻量高强金属基复合材料提供新的结构设计思路。

此外，本发明提供的高强可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备装置和制备方法制备得到的复合材料在达到减重效果的同时也具有良好比性能和强抗损伤容限能力。将碳纤维形状设计为波纹形，在轧制塑性过程中有效弥补了现有技术中碳纤维延展性不足造成断裂的缺陷，从而可以获得内部增强相分布均匀且完整，性能优良、强度更高的可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料。

附图说明

图1是本发明的可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备原理示意图。

图2是本发明的制备装置的侧面示意图。

图3是本发明的制备装置(不含固定架体)的结构示意图。

图4是本发明中插板的正视图。

图5是本发明中插板的形状尺寸因子示意图。

【附图标记说明】

1：固定支架；2：不锈钢模具；3：旋转磁场发生单元；4：碳纤维布；5：铝合金熔体；6：容槽；7：插板；8：波纹形槽道；9：三相三极对E型线圈；

A：波纹形槽道的振幅A值；D：波纹形槽道的两个波峰或两个波谷之间的距离(波长)；R：波纹形槽道的植入位置R值。

具体实施式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明的整体构思是提供一种碳纤维

铝合金波纹形结构金属基复合材料的设计理念，即通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到金属基体中，构筑出碳纤维

铝合金波纹形结构，使碳纤维布的波纹形的起伏方向与塑性轧制方向一致。借此，在如图1所示的塑性轧制变形过程中，这些波纹形的碳纤维布耦合铝合金基体协同延展变形，实现增强相与合金基体延展性相匹配。本申请的设计理念中，

表示处于内层的碳纤维布以波纹形态存在与金属基体中，在热轧制过程中，该波纹形结构的碳纤维能够耦合铝合金基体实现协同延展变形，从而克服碳纤维不具有延展性、导致在铝合金基体在延展的过程中使碳纤维发生断裂的问题。

结合图1及图5所示，根据碳纤维增强的铝合金材料的用途不同，在后续热塑性轧制过程中轧制道次、轧制变形量也不同，而植入到所述金属基体中的波纹型碳纤维布的波纹的形状尺寸因子(R、D、A)也需进行相应调节，使经过热塑性轧制后碳纤维布不致发生断裂为宜。所述尺寸因子包括宽度D值、振幅A值和植入位置R值；所述宽度D值指代两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹的波峰到波谷的垂直距离，所述 R值表示碳纤维到铝合金基体边缘的距离。

结合图2、图3所示：本实施例还提供一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备装置，该装置包括：固定支架1、不锈钢模具2以及旋转磁场发生单元3；不锈钢模具2包括底座和容槽6。容槽6内容纳金属熔体5，金属熔体5内固定有波纹形的碳纤维布4。

其中，固定支架1是用于将不锈钢模具2和旋转磁场发生单元3进行固定，以及用于调整不锈钢模具2置于旋转磁场发生单元3的正中心，以保证后续旋转磁场作用于合金熔体时搅拌更均匀，金属熔体5向碳纤维布4中浸渗程度一致。

不锈钢模具2的容槽6安装在底座上。结合图3所示，容槽6具有安装在容槽6前后两侧的插板7组成。容槽6是一个底面与左右相对的两个侧面组成的U字形槽体，插板7上刻有两条平行的波纹形槽道8(在其他实施例中可以多2、3条等)，两波纹形槽道8的间距为10mm，波纹形槽道8的槽孔宽度略宽于碳纤维布4的厚度(是碳纤维布4厚度的 100-105％)。容槽6上设有可供插板7可拆卸地组装和结合的竖直向槽道，方便插板7的拆卸和更换。波纹形槽道8用于插放碳纤维布4；插板 7在容槽6上一前一后成对装配，且装配时前后两块插板7上的波纹形槽道8的位置为对称状态，这样便于碳纤维布4能够顺利地弯曲成波纹形状插放固定在波纹形槽道8内，以实现波纹形碳纤维-铝合金结构的构筑。本实施例在向不锈钢模具内倒入金属熔体之前，可先将碳纤维布4插入波纹形槽道，因此也无需考虑漏液问题。

结合图4所示，根据图5中不同波纹形尺寸因子(R、D、A)的不同，插板7也分为不同型号，不同型号插板7上的波纹形槽道8的形状尺寸因子的不同，与所述需求的碳纤维布的弯折形态、碳纤维布的数量有关。其中D值指代两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹的波峰到波谷的垂直距离，R值表示碳纤维布到铝合金基体(表面或边缘)的距离。

如图3所示，旋转磁场发生单元3由三相三极对E型线圈9组成放置在不锈钢模具外侧，所述不锈钢模具2与所述线圈9同心放置；旋转磁场发生单元3为渗浸过程提供所需要的电磁场，所述线圈通电后，不断变化的磁场产生的洛仑磁力搅拌合金熔体5，从而提高金属熔体5向碳纤维布4渗浸的能力。线圈中输入的电流大小与方向均可进行人为调整，从而控制磁场大小，输入电流的频率为50Hz。

以下为对上述设计理念和制备装置的具体应用进行举例说明。

实施例1

本实施例为利用上述制备装置制备一种[碳纤维

工业纯铝]复合材料，其按照如下方法制备：

S1、熔炼铝合金基体：本实施例选用电阻熔炼炉熔炼工业纯铝，工业纯铝的具体成分见表1；具体熔炼过程为：将工业纯铝锭放入电阻熔炼炉中进行熔炼，将熔炼温度设定为720℃，当工业纯铝锭完全变为液态后，保温20min以均匀熔体的温度场。熔炼结束后的工业纯铝熔体呈现银白色，且流动性良好。由于工业纯铝熔体与空气易发生氧化反应，使熔体表面生成一层致密的氧化铝薄膜，该氧化铝薄膜对内部熔体可以起到一定的保护作用，因此为防止薄膜被破坏，在保温期间需要尽量减少熔体液面的波动。

S2、预热处理：预热处理不锈钢模具与碳纤维布；在进行铝熔体浇铸前，首先要对不锈钢模具以及碳纤维进行预热处理。在本实施例中，将不锈钢模具2、插板7放入电炉中进行预热，预热温度控制在500℃；碳纤维布4则放入箱式干燥箱中进行预热，预热温度同样控制在500℃。

S3、铝合金基体和碳纤维的渗浸：具体包括：

S3-1、将预热后的碳纤维布插放至不锈钢模具前后两侧插板上的波纹形槽道中，具体为：待步骤S2的碳纤维布4预热加热保温一段时间后，迅速将碳纤维布4从干燥箱中取出，然后将其插放到不锈钢模具2前后上安装的插板7上的波纹形槽道8内，完成插放后，调整碳纤维布4的位置，使其能够均匀的分布在槽道8内形成波纹形结构。

本实施例选用插板的结构尺寸因子具体为：D值为14mm、A值为 32mm、R值为20mm。

本实例中选择的碳纤维布厚度为0.4mm，其内部经、纬方向上每10 mm内均含有5束纤维，每束纤维内含有纤维约3000根。

S3-2、向不锈钢基体内浇铸铝熔体；待预热以及碳纤维布的插放工作完成后，向不锈钢模具内浇铸经过保温处理的工业纯铝熔体，浇注温度为700℃，随后给不锈钢模具两侧的线圈通电，开启旋转磁场，旋转磁场磁通量密度为30mT、频率为50Hz，开始进行碳纤维布4和工业纯铝熔体的电磁搅拌，强化二者间界面的渗浸效果。

在渗浸过程中，不断变化的磁场所产生的洛仑磁力，剧烈搅拌铝熔体，从而提高铝熔体向碳纤维渗浸的能力。所述强化渗浸过程进行至铝熔体凝固，得到碳纤维和铝合金的铸锭。

S4、对步骤S3得到的铸锭进行热塑性变形轧制：轧制过程参见图1 所示：轧制采用步骤S3得到的波纹形碳纤维-铝合金基体铸锭，其尺寸为 100×60×40mm。热塑性变形前，先将所述波纹形碳纤维-铝合金基体铸锭整齐放在马弗炉内，关好炉口。为了克服加工硬化效应，设置相应的热处理参数，具体为：温度设定为为400℃，升温时间设定为60min，保温时间设定为20min。待保温结束之后，关掉马弗炉，波纹形碳纤维-铝合金基体铸锭留在炉内随着炉温冷却。铸锭冷却至室温后，即可取出，然后在热轧机上进行热塑性轧制。

本实施例的热塑性轧制共进行到4道次，其中粗轧制1道次，精轧制3道次。首次热粗轧变形率控制在50％，轧制温度为400℃，完成热粗轧后进行后续若干次精轧制。后续3次轧制的变形率控制在10％，保证波纹形碳纤维-铝合金基体铸锭热塑性轧制后的总变形量为80％。值得强调的是，粗轧制与前两次精轧温度保持一致，均为400℃，最后一次精轧的轧制温度控制为200℃。整个热塑性变形过程中，轧制速率控制在0.7m/s。

轧完每道次，均用钢丝刷处理轧制后的碳纤维-铝合金基体铸锭的表面，并用丙酮清洗，以除去试样表面的氧化层和油脂。在轧制过程中，在铸锭与压头之间采用石墨粉加机油作润滑剂。

随着热塑性轧制的进行，本实施例中波纹形的碳纤维能够耦合工业纯铝基体协同延展变形，避免碳纤维布发生断裂，从而得到高强碳纤维增强工业纯金属基复合材料。

本实施例对步骤S4得到的高强可协同延展的碳纤维增强铝基复合材料的力学性能进行评价，包括以下步骤：

根据GB/T228《金属材料室温拉伸试验》，对步骤S4得到的高强可协同延展的碳纤维增强铝基复合材料的拉伸性能测试：将用线切割掏出的板块做成板材拉伸试样，试样的表面用金相砂纸磨光。为了防止测试过程中拉伸速度过快，本实施例采用横梁位移控制和应力速率控制。在万能试验机上以1mm/min的拉伸速度进行室温拉伸试验。在本实施例以及后续每个实例中，各测3组拉伸试样的测试数据，并取其平均值作为最终实验数据。

通过拉伸试验测试，碳纤维增强工业纯铝复合材料拉伸试样的断后伸长率为11.2％，抗拉强度为238MPa。

本实施例通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到工业纯铝基体中，在热塑性轧制变形过程中，波纹形碳纤维耦合工业纯铝基体协同延展变形，实现增强相与合金基体延展性匹配控制。通过波纹形结构构筑+电磁搅拌界面强化浸渗+多级热塑性轧制技术制备出新型高强碳纤维增强工业纯铝复合材料。

实施例2

本实施例以5083铝镁合金代替工业纯铝，制备[碳纤维

铝镁合金] 复合材料。5083铝镁合金具体各元素百分含量见表1。

本实施例同样通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到5083铝镁合金中；在热塑性轧制变形过程中，波纹形碳纤维耦合5083铝镁合金基体协同延展变形，实现增强相与合金基体延展性的匹配控制。通过波纹形结构构筑+电磁搅拌界面强化浸渗+多级热塑性轧制技术制备出高硬/高强碳纤维增强5083铝镁基复合材料。

本实施例同实施例1的不同点在于：

插板7的形状尺寸因子为：D值为14mm、A值为32mm、R值为20mm，熔炼温度为730℃，铸造温度为710℃，热轧制前三道次的温度为450℃。

通过拉伸试验性能测试，碳纤维增强5083铝镁合金基复合材料拉伸试样的断后伸长率为14.3％，抗拉强度为386MPa。

实施例3

本实施例以8090铝锂合金代替工业纯铝，制备[碳纤维

铝锂合金] 复合材料。8090铝锂合金具体各元素百分含量见表1。

本实施例同样通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到8090铝锂合金中；在热塑性轧制变形过程中，波纹形碳纤维耦合8090铝锂合金基体协同延展变形，实现增强相与合金基体延展性的匹配控制。通过波纹形结构构筑+电磁搅拌界面强化浸渗+多级热塑性轧制技术制备出轻量/高强碳纤维增强8090铝锂基复合材料。

本实施例同实施例1相较，不同点在于：

插板7的形状尺寸因子为：D值为12mm、A值为30mm、R值为20mm；熔炼温度为695℃，铸造温度为680℃，前三次热轧制的温度为500℃。

值得强调地是，本实施例采用的8090铝锂合金含有的锂元素不但质量轻而且化学性质非常活泼，容易烧损，导致其成分不稳定。8090铝锂合金在熔炼过程中容易出现吸氢、氧化等现象，因此，为了避免熔炼过程中此类现象的发生，使用覆盖剂(LiCl:LiF＝4:1)对8090铝锂合金熔炼过程进行保护。

通过拉伸试验性能测试，碳纤维增强8090铝锂合金基复合材料拉伸试样的断后伸长率为19.6％，抗拉强度为343MPa。

实施例4

本实施例以共晶铝硅合金代替工业纯铝，制备[碳纤维铝硅合金]复合材料。共晶铝硅合金具体各元素百分含量见表1。

本实施例同样通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到共晶铝硅合金中；在热塑性轧制变形过程中，波纹形碳纤维耦合共晶铝硅合金基体协同延展变形，实现增强相与合金基体延展性的匹配控制。通过波纹形结构构筑+电磁搅拌界面强化浸渗+多级热塑性轧制技术制备出热稳定性好、比强度高的碳纤维增强共晶铝硅基复合材料。

本实施例同实施例1相较，不同点在于：

插板7的形状尺寸因子为：D值为16mm、A值为35mm、R值为20mm；熔炼温度为780℃，铸造温度为750℃，轧制温度为650℃。

通过拉伸试验性能测试，碳纤维增强共晶铝硅合金基复合材料拉伸试样的断后伸长率为5％，抗拉强度为426MPa。

实施例5

本实施例以2219铝合金代替工业纯铝，制备[碳纤维

铝合金]复合材料。2219铝合金具体各元素百分含量见表1。本实施例同样通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到2219铝合金中；在热塑性轧制变形过程中，波纹形碳纤维耦合2219铝合金基体协同延展变形，实现增强相与合金基体延展性的匹配控制。通过波纹形结构构筑+电磁搅拌界面强化浸渗+多级热塑性轧制技术制备出制备耐腐蚀/高低温性能好的碳纤维增强2219 铝铜合金基复合材料。

本实施例同实施例1相较，不同点在于：

插板7的形状尺寸因子为：D值为13mm、A值为33mm、R值为20mm，熔炼温度为760℃，铸造温度为740℃，轧制温度为400℃。

通过拉伸试验性能测试，碳纤维增强2219铝合金基复合材料拉伸试样的断后伸长率为15.6％，抗拉强度为538MPa。

对比例1-5

为探究加入碳纤维对铝合金基体起到的增强效果，分别设置对比例 1-5；其中对比例1与实施例1对应，对比例2与实施例2对应，对比例 3与实施例3对应，对比例4与实施例4对应，对比例5与实施例5对应，各对比例都是在相应实施例的基础上“不添加碳纤维增强相”，采用相同的制备工艺下进行合金基体的塑性变形试验。各组对比例的拉伸性能结果见表3。

通过拉伸实验测试，未加入碳纤维增强的工业纯铝铸锭拉伸试样的断后伸长率为14.6％，抗拉强度为151MPa；

未加入碳纤维增强的5083铝镁合金铸锭拉伸试样的断后伸长率为 18.6％，抗拉强度为293MPa；

未加入碳纤维增强的8090铝锂合金铸锭拉伸试样的断后伸长率为 25％，抗拉强度为255MPa；

未加入碳纤维增强的共晶铝硅合金铸锭拉伸试样的断后伸长率为 5.38％，抗拉强度为332MPa；

未加入碳纤维增强的2219铝合金铸锭拉伸试样的断后伸长率为 20.2％，抗拉强度为450Mpa。

表1各实施例中铝合金化学成分

表2各实施例工艺参数

表3各实施例与对比例的力学性能参数

通过实施例1-5与对比例1-5的比较可知，在不同实例下，加入碳纤维制得的复合材料的抗拉强度和伸长率较未添加碳纤维的铝合金材料都有不同水平的提高，其在力学性能上具有显着的优势。这意味着本发明的高强碳纤维金属基复合材料在实现与铝合金基体协同延展的同时，还具备优良的拉伸性能，从而提高了实际推广应用的竞争力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念，其特征在于，将碳纤维布折叠成波纹型植入到金属基体中，使碳纤维布的波纹形的起伏方向与塑性轧制方向一致；以便在后续的塑性轧制变形过程中，所述波纹形碳纤维布能够耦合铝合金基体协同延展变形，实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配。

2.如权利要求1所述的金属基复合材料的设计理念，其特征在于，所述碳纤维的数量为一片或一片以上。

3.如权利要求1所述的金属基复合材料的设计理念，其特征在于，植入的碳纤维布以波纹形凝固在铝合金基体内，通过调节碳纤维布的波纹的形状尺寸因子限制复合材料的结构特性，进而实现金属基复合材料在塑性轧制过程中波纹型碳纤维耦合铝合金基体协同延展伸长；

所述尺寸因子包括宽度D值、振幅A值和植入位置R值；所述宽度D值指代波纹的相邻两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹的波峰到波谷的垂直距离，所述R值表示碳纤维到铝合金基体边缘的距离。

4.如权利要求1所述的金属基复合材料的设计理念，其特征在于，所述金属基体为铝合金基体。

5.一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备装置，其特征在于，包括固定支架、不锈钢模具、旋转磁场发生单元；所述固定支架用来对不锈钢模具和旋转磁场发生单元进行固定并调整两者的相对位置；所述旋转磁场发生单元设于所述不锈钢模具的外侧；

所述不锈钢模具包括一个容槽，所述容槽前后两侧设有两个竖直插入容槽内的插板，所述插板上设有波纹形槽道；所述波纹形槽道用于固定碳纤维布，借助所述波纹形槽道使平直的碳纤维布弯折成波纹形状固定在所述容槽中；所述不锈钢模具用于盛放金属熔体；

所述旋转磁场发生单元提供磁场对所述不锈钢模具内的金属熔体进行搅拌，以强化金属熔体与碳纤维布之间的界面浸渗作用。

6.如权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述插板与所述容槽为一体成型；或者所述插板为可拆卸地插在所述容槽的前后两侧；所述插板上设有两条波纹形槽道，用于将两片碳纤维布以波纹形弯曲状态固定在所述容槽内。

7.如权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述两条波纹形槽道之间间距为10mm，所述两条波纹形槽道呈中心对称；波纹形槽道的槽宽为碳纤维布厚度的100-105％，使碳纤维布能够顺利地固定在波纹形槽道中并被弯曲成波纹形。

8.如权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述旋转磁场发生单元由三相三极对E型线圈组成；所述插板上的波纹形槽道，根据插板不同，具有不同的度D值、振幅A值和植入位置R值；所述宽度D值指代波纹形槽道的相邻两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹形槽道的波峰到波谷的垂直距离，所述R值表示波纹形槽道到插板边缘的距离。

9.一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，采用权利要求5-8任一项所述的制备装置，其包含如下步骤：

S1、熔炼金属基体：熔炼金属基体至熔融状态，得到金属熔体；

S2、预热处理：将不锈钢模具与碳纤维布进行预热；

S3、金属基体和碳纤维的渗浸：具体包括：

S3-1、将预热后的碳纤维布插放至所述插板上的波纹形槽道中，使碳纤维布以波纹形状固定在所述容槽中；

S3-2、向不锈钢模具的容槽内浇铸步骤S1得到的金属熔体；

S3-3、开启旋转磁场发生单元，该旋转磁场发生单元产生的洛仑磁力对金属熔体进行电磁搅拌，以强化金属熔体和碳纤维布之间的界面渗浸作用，直到金属熔体凝固，得到碳纤维增强的铝合金铸锭；其中，碳纤维布以波纹型镶嵌在金属基体中；

S4：热塑性变形轧制：

对步骤S3得到的铝合金铸锭进行热塑性变形轧制，轧制方向与所述碳纤维布的波纹起伏方向一致；通过热塑性变形轧制，碳纤维布耦合金属基体协同延展变形，得到高强可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述金属熔体为铝合金熔体，步骤S4制得高强可协同延展的碳纤维增强铝基复合材料。

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