CN111636040A - 一种结构可控的3d增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构可控的3D增强铝基复合材料及其制备方法，属于高性能铝基复合材料精密成形技术领域。本发明首先采用第一液态铝合金对单向纤维板沿纤维方向进行浸渗，然后将所得单向纤维增强铝基复合材料板材切割成单向铝基复合材料丝材，再以该丝材构建3D增强体，使其与第二液态铝合金进行复合获得3D增强铝基复合材料，可显著降低液态浸渗阻力，减少纤维偏聚，能够克服传统液态压力浸渗法中铝合金对3D纤维增强体中横向纤维束填充困难和制备缺陷多的问题。而且能够按需求精确制造3D增强体，具有制备成本低、纤维体积分数可精确调节、增强体结构精确可控等优势，可实现大尺寸规格3D增强铝基复合材料的精确成形和批量化工业生产。

Description

一种结构可控的3D增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高性能铝基复合材料精密成形技术领域，尤其涉及一种结构可控的3D增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

连续纤维增强铝基复合材料具有比强度和比模量高、热膨胀系数低、耐热性好和抗老化等优良的综合性能，作为钛合金和树脂基复合材料等传统结构材料的有力竞争者和替代者而备受国内外研究者重视。大量研究表明，单向增强铝基复合材料沿纤维轴向具有极高的强度和模量，而其沿纤维横向力学性能较差；2D叠层增强铝基复合材料可通过铺层角度设计而调节其面内性能，但仍存在层间结合强度低和冲击韧性差等不足，从而限制了其工程应用范围。近年来出现的3D增强铝基复合材料，不仅继承了连续纤维增强铝基复合材料轻质高强高模和热膨胀率低的优点，而且完全整体、立体交织的3D增强体网络使其具有良好的结构整体性和各向性能可设计性，是满足航空航天结构向整体化、轻量化和结构/性能一体化方向发展的新一代铝基复合材料。

目前，3D增强铝基复合材料的主要制备方法为液态压力浸渗法，其基本技术思路为：将连续纤维束通过编织法或机织法制备成3D纤维预制体，然后采用挤压铸造法、真空吸渗法或真空压力浸渗法等工艺，在压力作用下将液态铝合金强迫渗透至3D纤维预制体及其内部纤维束中，冷却后脱模制得3D增强铝基复合材料。但是目前该制备方法存在如下技术难点：(1)3D纤维预制体中纤维束沿不同方向分布且相互搭接，当液态金属沿纤维束方向浸渗流动时对纤维束内间隙的填充较为充分，而液态金属沿垂直纤维束方向浸渗流动则十分困难，无法完全填充纤维束内间隙，特别是在纤维束搭接处液态金属甚至完全无法渗透和填充，因此制备的复合材料缺陷多、组织致密性低，从而影响复合材料的组织和力学性能；(2)通过编织法或机织法制备的3D纤维预制体中纤维的体积分数难以精确控制，同时液态压力浸渗法制备中压力易于引起3D纤维预制体宏观变形、内部各方向纤维束偏移和纤维束内的纤维偏聚，因此无法精确控制3D增强铝基复合材料内部纤维结构形状和纤维体积分数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构可控的3D增强铝基复合材料及其制备方法，所制备的3D增强铝基复合材料不但具有组织致密性高和微观缺陷少的特点，而且具有纤维体积分数和增强结构可精确设计和控制等优点，可实现大尺寸构件的批量化制造，具有良好的应用前景。。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种结构可控的3D增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将单向纤维布沿纤维方向进行铺叠，固定后，得到单向纤维板；

将所述单向纤维板与第一液态铝合金沿纤维方向进行液态浸渗复合，得到单向纤维增强铝基复合材料板材；

将所述单向纤维增强铝基复合材料板材沿平行纤维方向进行切割，得到单向铝基复合材料丝材；

将所述单向铝基复合材料丝材按照3D结构进行搭接后，进行固结绑定，得到3D增强体；

将所述3D增强体与第二液态铝合金进行复合，得到结构可控的3D增强铝基复合材料。

优选的，所述单向纤维布包括石墨纤维布、碳化硅纤维布或氧化铝纤维布。

优选的，以体积百分数计，所述单向纤维板的纤维含量为50～70％。

优选的，进行所述液态浸渗复合之前，还包括：将所述单向纤维板进行预热，所述预热的温度为500～600℃。

优选的，所述第一液态铝合金的制备过程包括：将铝合金进行熔炼，得到第一液态铝合金；所述熔炼的温度为700～750℃。

优选的，所述液态浸渗复合的条件包括：真空度为10～25Pa，浸渗压力为0.4～0.5MPa。

优选的，所述单向纤维增强铝基复合材料板材中，铝合金的体积分数为30～50％，纤维的体积分数为50～70％。

优选的，所述第二液态铝合金的制备过程包括将铝合金在660～700℃进行熔炼，保温20～30min后，得到第二液态铝合金，所述复合的时间为120～180s。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的结构可控的3D增强铝基复合材料，所述结构可控的3D增强铝基复合材料中，铝合金的体积分数为50～70％，纤维的体积分数为30～50％。

本发明提供了一种结构可控的3D增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将单向纤维布沿纤维方向进行铺叠，固定后，得到单向纤维板；将所述单向纤维板与第一液态铝合金沿纤维方向进行液态浸渗复合，得到单向纤维增强铝基复合材料板材；将所述单向纤维增强铝基复合材料板材沿平行纤维方向进行切割，得到单向铝基复合材料丝材；将所述单向铝基复合材料丝材按照3D结构进行搭接后，进行固结绑定，得到3D增强体；将所述3D增强体与第二液态铝合金进行复合，得到结构可控的3D增强铝基复合材料。

本发明首先采用第一液态铝合金对单向纤维板沿纤维方向进行浸渗，单向纤维板材的浸渗缺陷少，而且液态铝合金是沿纤维方向浸渗，浸渗阻力小，不存在横向浸渗，而且在构建3D增强体之前将液态铝合金浸渗入单向纤维板中，可显著降低液态浸渗阻力，减少纤维偏聚，具有浸渗压力小、制备缺陷少和成本低等优势，能够克服传统液态压力浸渗法中铝合金对3D纤维增强体中横向纤维束填充困难和制备缺陷多的问题。

本发明将获得的组织致密的单向铝基复合材料丝材作为增强材料，能够按需求精确制造3D增强体，而且所制备的3D增强体空隙大，在与第二液态铝合金进行复合时，液态铝合金对空隙的填充容易进行，不存在传统液态压力浸渗制备工艺中纤维聚集或偏聚问题，同时可避免复合过程中增强体结构的变形，具有制备成本低、纤维体积分数可精确调节(不易变形，强度和刚度高)、增强体结构精确可控等优势，可实现大尺寸规格3D增强铝基复合材料的精确成形和批量化工业生产，在航空航天、先进武器领域极具应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的石墨纤维3D增强ZL301铝基复合材料的光学显微和SEM微观组织结构图；

图2为实施例2制备的碳化硅纤维3D增强ZL114A铝基复合材料的光学显微和SEM微观组织结构图；

图3为实施例3制备的氧化铝纤维3D增强ZL205铝基复合材料的光学显微和SEM微观组织结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种结构可控的3D增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将单向纤维布沿纤维方向进行铺叠，固定后，得到单向纤维板；

将所述单向纤维板与第一液态铝合金沿纤维方向进行液态浸渗复合，得到单向纤维增强铝基复合材料板材；

将所述单向纤维增强铝基复合材料板材沿平行纤维方向进行切割，得到单向铝基复合材料丝材；

将所述单向铝基复合材料丝材按照3D结构进行搭接后，进行固结绑定，得到3D增强体；

将所述3D增强体与第二液态铝合金进行复合，得到结构可控的3D增强铝基复合材料。

在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。

本发明将单向纤维布沿纤维方向进行铺叠，固定后，得到单向纤维板。在本发明中，所述单向纤维布优选包括石墨纤维布、碳化硅纤维布或氧化铝纤维布；所述石墨纤维布优选为M40J-6K石墨纤维布；所述碳化硅纤维布优选为Hi-Nicalon-1K(日本碳素公司)碳化硅纤维布；所述氧化铝纤维布优选为Nextel610-1K氧化铝纤维布。本发明对所述单向纤维布的规格没有特殊的限定，选用本领域熟知的市售商品即可。

本发明对所述固定的方式没有特殊的限定，选用本领域熟知的方式即可，具体可以为石墨模具夹紧固定。

在本发明中，以体积百分数计，所述单向纤维板的纤维含量优选为50～70％，更优选为55～65％，进一步优选为55～60％。本发明对所述单向纤维板的厚度没有特殊的限定，根据实际需求进行调整并且能够达到上述单向纤维板的纤维含量即可。在本发明的实施例中，所述单向纤维板的厚度具体为10mm。

得到单向纤维板后，本发明将所述单向纤维板与第一液态铝合金沿纤维方向进行液态浸渗复合，得到单向纤维增强铝基复合材料板材。在本发明中，进行所述液态浸渗复合之前，优选还包括：将所述单向纤维板进行预热，所述预热的温度优选为500～600℃，更优选为520～580℃，进一步优选为550～560℃。本发明将单向纤维板进行预热能够延缓第一液态铝合金在单向纤维板内部孔隙中浸渗流动时的凝固过程，减少第一液态铝合金在单向纤维板内部孔隙浸渗流动时的阻力，提高浸渗填充完整性和单向铝基复合材料的致密度。

在本发明中，所述第一液态铝合金的制备过程优选包括：将铝合金进行熔炼，得到第一液态铝合金；所述熔炼的温度优选为700～750℃，更优选为720～740℃。本发明对所述第一液态铝合金中铝合金的种类没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品均可，在本发明的实施例中，所述铝合金具体为ZL301、ZL114A或ZL205。

在本发明中，所述液态浸渗复合的方法优选为真空气压浸渗法，所述液态浸渗复合的条件优选包括：真空度为10～25Pa，浸渗压力为0.4～0.5MPa；所述真空度更优选为10～20Pa，进一步优选为10～15Pa；所述浸渗压力更优选为0.42～0.48MPa，进一步优选为0.45～0.46MPa。

在所述液态浸渗复合过程中，第一液态铝合金沿纤维方向在单向纤维板内部进行浸渗，直至完全渗透于每根纤维丝之间的空隙，实现第一液态铝合金对纤维丝的完全包裹，以便于后续在增强体上复合第二液态铝合金时降低液态浸渗阻力，减少纤维偏聚，能够避免后续构建3D增强体后再进行液态浸渗时对横向纤维束填充困难的问题。

在本发明中，所述单向纤维增强铝基复合材料板材中，铝合金的体积分数优选为30～50％，更优选为35～45％，纤维的体积分数优选为50～70％，更优选为55～65％。本发明中所述单向纤维板与第一液态铝合金的用量能够满足上述体积分数即可。在所述单向纤维增强铝基复合材料板材中，第一液态铝合金与纤维丝之间依靠机械结合和化学结合两种方式结合，其中机械结合指的是第一液态铝合金与纤维丝之间充分紧密接触，化学结合指的是第一液态铝合金与纤维丝之间发生不同程度的化学反应生成Al₄C₃化合物。

得到单向纤维增强铝基复合材料板材后，本发明将所述单向纤维增强铝基复合材料板材沿平行纤维方向进行切割，得到单向铝基复合材料丝材。在本发明中，所述切割的过程优选包括先将所述单向纤维增强铝基复合材料板材采用电火花线切割机沿厚度方向切割成设定厚度的板材，然后将切割后的板材重新对齐后叠层，采用电火花线切割机沿纤维方向切割成设定宽度(优选为1～2mm)的丝材。本发明对所述设定厚度的板材的厚度没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可；在本发明的实施例中，具体可以为1～2mm。本发明对所述设定宽度的丝材的宽度没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可，在本发明的实施例中，具体可以为1～2mm。在本发明的实施例中，所述单向铝基复合材料丝材的截面尺寸具体为1mm×1mm、1.5mm×1.5mm或2mm×2mm。

得到单向铝基复合材料丝材后，本发明将所述单向铝基复合材料丝材按照3D结构进行搭接后，进行固结绑定，得到3D增强体。在本发明中，所述按照3D结构进行搭接的过程优选为在铝基板上将所述单向铝基复合材料丝材沿X方向平行排布，得到第一层；在所述第一层上，将所述单向铝基复合材料丝材沿Y方向平行排布，得到第二层；按照上述方法，按X/Y/X…的顺序依次进行逐层叠加，相邻两层丝材之间用丙烯酸酯粘接剂搭接固定；然后将所述单向铝基复合材料丝材在Z方向上进行层间贯穿，所述Z方向的丝材用丙烯酸酯粘接剂固定在所述铝基板上；所述层间贯穿指的是Z向丝材贯通X与Y正交排列所形成的层内之间的空隙。

本发明对所述铝基板的来源均没有特殊的限定，选用熟知的市售商品即可，具体可以为纯铝板；本发明对所述铝基板的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可。

本发明对所述沿X方向平行排布的排布间距没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可，在本发明的实施例中，具体为1mm。本发明对所述沿Y方向平行排布的排布间距没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可，在本发明的实施例中，具体为2mm。本发明对所述按X/Y/X…的顺序依次进行逐层叠加的层数没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可，在本发明的实施例中，具体为10层。

完成所述搭接后，本发明优选使用金属丝对所述单向铝基复合材料丝材的搭接处进行固结绑定，将所得骨架放入温度箱中挥发去除丙烯酸酯粘接剂，得到三向正交结构的3D增强体。本发明对所述丙烯酸酯粘接剂没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可。在本发明中，所述固结绑定所用材料优选为金属丝，所述金属丝优选为纯铝丝；本发明对所述纯铝丝没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可。在本发明中，所述温度箱的温度优选为300℃。

得到3D增强体后，本发明将所述3D增强体与第二液态铝合金进行复合，得到结构可控的3D增强铝基复合材料。在本发明中，所述第二液态铝合金的制备过程优选包括将铝合金在660～700℃进行熔炼，保温20～30min后，得到第二液态铝合金。本发明对所述第二液态铝合金中铝合金的种类没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品均可，在本发明的实施例中，所述铝合金具体为ZL301、ZL114A或ZL205。

得到3D增强体后，本发明优选先根据所述3D增强体的尺寸加工铸造模具，然后将所述3D增强体转移至所得铸造模具中并合模；将第二液态铝合金采用重力浇注法注入所述铸造模具中，进行复合，待凝固冷却后开模，得到结构可控的3D增强铝基复合材料。在本发明中，所述铸造模具优选为石墨模具。本发明对所述加工铸造模具、合模和重力浇注法注入的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。在本发明中，所述复合的时间优选为120～180s，更优选为130～160s，进一步优选为140～150s。

在所述复合的过程中，第二液态铝合金充分浸渗入3D增强体中，与3D增强体表面附着的第一液态铝合金形成的第一铝合金基体通过冶金结合，形成3D增强铝基复合材料。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的结构可控的3D增强铝基复合材料，所述结构可控的3D增强铝基复合材料中，铝合金的体积分数优选为50～70％，更优选为55～65％，纤维的体积分数优选为30～50％，更优选为35～45％。本发明首先采用第一液态铝合金对单向纤维板沿纤维方向进行浸渗，然后将所得单向纤维增强铝基复合材料板材切割成单向铝基复合材料丝材，再以该丝材构建3D增强体，本发明在构建3D增强体之前将液态铝合金浸渗入单向纤维板中，可显著降低液态浸渗阻力，减少纤维偏聚，具有浸渗压力小、制备缺陷少和成本低等优势，能够克服传统液态压力浸渗法中铝合金对3D纤维增强体中横向纤维束填充困难和制备缺陷多的问题。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。

实施例1

结构可控的石墨纤维3D增强ZL301铝基复合材料：

将长度200mm(沿纤维排列方向)、幅宽150mm(垂直纤维排列方向)、重量6.75g的单向石墨纤维(M40JB)布沿纤维方向铺叠至10mm厚度，并用石墨模具夹紧固定，得到厚度为10mm的单向石墨纤维板；

将所述单向石墨纤维板预热至500℃，将ZL301铝合金500g在700℃进行熔炼，得到第一液态ZL301铝合金，采用真空气压浸渗法，使用第一液态ZL301铝合金对所述单向石墨纤维板沿纤维方向进行液态浸渗(真空度为10Pa，压差为0.46MPa)，得到单向石墨纤维增强ZL301铝基复合材料板材(单向纤维体积分数为60％，ZL301体积分数为40％)；

将所述单向石墨纤维增强ZL301铝基复合材料板材采用电火花线切割机沿铺层厚度方向分割成厚度为2mm的板材，然后将所得板材对齐后重新叠层，采用电火花线切割机沿纤维方向切割成宽度为1mm的丝材；

在纯铝板上将所述单向石墨纤维增强ZL301铝基复合材料丝材沿X方向平行排布，得到第一层(排布间距1mm)；在第一层上，将所述单向石墨纤维增强ZL301铝基复合材料丝材沿Y方向平行排布，得到第二层(排布间距2mm)；依照上述方法，按X/Y/X/Y/X/Y/…的顺序依次逐层叠加直至10层，相邻两层丝材之间用丙烯酸酯粘接剂粘接固定；然后将所述单向石墨纤维增强ZL301铝基复合材料丝材在Z方向上将10层X/Y丝材进行层间贯穿，Z向丝材用丙烯酸酯粘接剂竖直固定在纯铝基板上；用纯铝丝对所述单向石墨纤维增强ZL301铝基复合材料丝材的搭接处进行固结绑定，放入温度箱(300℃)中挥发去除丙烯酸酯粘接剂，得到三向正交结构的3D增强体；

根据所述3D增强体的形状和尺寸加工得到石墨模具，将3D增强体转移至石墨模具空腔内并合模；将ZL301铝合金1000g熔炼至680℃后，保温30分钟，将所得第二液态ZL301铝合金采用重力浇注法注入石墨模具中，与3D增强体进行复合3min，待凝固冷却后开模，得到石墨纤维3D增强ZL301铝基复合材料。

性能测试

1)对实施例1制备的石墨纤维3D增强ZL301铝基复合材料分别进行光学显微结构和扫描电镜表征，其组织结构见图1；左侧附图为石墨纤维3D增强ZL301铝基复合材料的光学纤维结构图，可以看出单向纤维增强ZL301铝基复合材料丝材在第二铝合金基体(第二液态铝合金形成的基体)中排布较为均匀和规整，可以清晰看出X、Y、Z向丝材在3D增强ZL301铝基复合材料中的走向和排布，而且不存在缩孔缩松等铸造缺陷；右侧附图为石墨纤维3D增强ZL301铝基复合材料中X、Y、Z向丝材的SEM微观组织形貌，可以看出石墨纤维丝在第一铝合金基体(第一液态铝合金形成的基体)中分布均匀，未发现局部纤维丝偏聚以及充填不足等微观浸渗缺陷现象。

2)采用常规方法对实施例1制备的石墨纤维3D增强ZL301铝基复合材料的各组分含量进行计算，结果表明，其中的纤维体积分数为40％，铝合金体积分数为60％。

3)根据阿基米德排水法，对实施例1制备的石墨纤维3D增强ZL301铝基复合材料进行致密度测试，结果发现，其平均致密度为99.5％。

实施例2

结构可控的碳化硅纤维3D增强ZL114A铝基复合材料：

将长度200mm(沿纤维排列方向)、幅宽150mm(垂直纤维排列方向)、重量13.50g的单向Hi-Nicalon-1K碳化硅纤维布沿纤维方向铺叠至10mm厚度，并用碳化硅模具夹紧固定，得到厚度为10mm的单向碳化硅纤维板；

将所述单向碳化硅纤维板预热至500℃，将ZL114A铝合金500g在700℃进行熔炼，得到第一液态ZL114A铝合金，采用真空气压浸渗法，使用第一液态ZL114A铝合金对所述单向碳化硅纤维板沿纤维方向进行液态浸渗(真空度为12Pa，压差为0.46MPa)，得到单向碳化硅纤维增强ZL114A铝基复合材料板材(单向纤维体积分数为60％，ZL114A体积分数为40％)；

将所述单向碳化硅纤维增强ZL114A铝基复合材料板材采用电火花线切割机沿铺层厚度方向分割成厚度为2mm的板材，然后将所得板材对齐后重新叠层，采用电火花线切割机沿纤维方向切割成宽度为1mm的丝材；

在纯铝板上将所述单向碳化硅纤维增强ZL114A铝基复合材料丝材沿X方向平行排布，得到第一层(排布间距1mm)；在第一层上，将所述单向碳化硅纤维增强ZL114A铝基复合材料丝材沿Y方向平行排布，得到第二层(排布间距2mm)；依照上述方法，按X/Y/X/Y/X/Y/…的顺序依次逐层叠加直至10层，相邻两层丝材之间用丙烯酸酯粘接剂粘接固定；然后将所述单向碳化硅纤维增强ZL114A铝基复合材料丝材在Z方向上将10层X/Y丝材进行层间贯穿，Z向丝材用丙烯酸酯粘接剂竖直固定在纯铝基板上；用纯铝丝对所述单向碳化硅纤维增强ZL114A铝基复合材料丝材的搭接处进行固结绑定，放入温度箱(300℃)中挥发去除丙烯酸酯粘接剂，得到三向正交结构的3D增强体；

根据所述3D增强体的形状和尺寸加工得到石墨模具，将3D增强体转移至石墨模具空腔内并合模；将ZL114A铝合金1000g熔炼至680℃后，保温30分钟，将所得第二液态ZL114A铝合金采用重力浇注法注入石墨模具中，与3D增强体进行复合3min，待凝固冷却后开模，得到碳化硅纤维3D增强ZL114A铝基复合材料。

性能测试

1)对实施例2制备的碳化硅纤维3D增强ZL114A铝基复合材料分别进行光学显微结构和扫描电镜表征，其组织结构见图2；左侧附图为光学纤维组织结构图，可以看出，单向纤维增强ZL114铝基复合材料丝材在第二铝合金基体中(第二液态铝合金形成的基体)排布较为均匀和规整，可以清晰看出X、Y、Z向丝材在3D增强ZL114铝基复合材料中的走向和排布，而且不存在缩孔缩松等铸造缺陷；右侧附图为碳化硅纤维3D增强ZL114铝基复合材料中X、Y、Z向丝材的SEM微观组织形貌，可以看出碳化硅纤维丝在第一铝合金基体(第一液态铝合金形成的基体)中分布均匀，未发现局部纤维丝偏聚以及充填不足等微观浸渗缺陷现象。

2)采用常规方法，对实施例2制备的碳化硅纤维3D增强ZL114A铝基复合材料的各组分含量进行计算，结果表明，其中的纤维体积分数为35％，铝合金体积分数为65％。

3)根据阿基米德排水法原理，对实施例2制备的碳化硅纤维3D增强ZL114A铝基复合材料进行致密度测试，结果发现，其平均致密度为99.0％。

实施例3

结构可控的氧化铝纤维3D增强ZL205铝基复合材料：

将长度200mm(沿纤维排列方向)、幅宽150mm(垂直纤维排列方向)、重量15.0g的单向Nextel610-1K氧化铝纤维布沿纤维方向铺叠至10mm厚度，并用石墨模具夹紧固定，得到厚度为10mm的单向氧化铝纤维板；

将所述单向氧化铝纤维板预热至500℃，将ZL205铝合金500g在700℃进行熔炼，得到第一液态ZL205铝合金，采用真空气压浸渗法，使用第一液态ZL205铝合金对所述单向氧化铝纤维板沿纤维方向进行液态浸渗(真空度为10Pa，压差为0.46MPa)，得到单向氧化铝纤维增强ZL205铝基复合材料板材(单向纤维体积分数为65％，ZL205体积分数为35％)；

将所述单向氧化铝纤维增强ZL205铝基复合材料板材采用电火花线切割机沿铺层厚度方向分割成厚度为2mm的板材，然后将所得板材对齐后重新叠层，采用电火花线切割机沿纤维方向切割成宽度为1mm的丝材；

在纯铝板上将所述单向氧化铝纤维增强ZL205铝基复合材料丝材沿X方向平行排布，得到第一层(排布间距1mm)；在第一层上，将所述单向氧化铝纤维增强ZL205铝基复合材料丝材沿Y方向平行排布，得到第二层(排布间距2mm)；依照上述方法，按X/Y/X/Y/X/Y/…的顺序依次逐层叠加直至10层，相邻两层丝材之间用丙烯酸酯粘接剂粘接固定；然后将所述单向氧化铝纤维增强ZL205铝基复合材料丝材在Z方向上将10层X/Y丝材进行层间贯穿，Z向丝材用丙烯酸酯粘接剂竖直固定在纯铝基板上；用纯铝丝对所述单向氧化铝纤维增强ZL205铝基复合材料丝材的搭接处进行固结绑定，放入温度箱(300℃)中挥发去除丙烯酸酯粘接剂，得到三向正交结构的3D增强体；

根据所述3D增强体的形状和尺寸加工得到石墨模具，将3D增强体转移至石墨模具空腔内并合模；将ZL205铝合金1000g熔炼至680℃后，保温30分钟，将所得第二液态ZL205铝合金采用重力浇注法注入石墨模具中，与3D增强体进行复合3min，待凝固冷却后开模，得到氧化铝纤维3D增强ZL205铝基复合材料。

性能测试

1)对实施例3制备的氧化铝纤维3D增强ZL205铝基复合材料分别进行光学显微结构和扫描电镜表征，其组织结构见图3；左侧附图为光学显微组织结构图，可以看出单向纤维增强ZL205铝基复合材料丝材在第二铝合金基体(第二液态铝合金形成的基体)中排布纹路非常清晰且较为均匀和规整，可以清晰看出X、Y、Z向丝材在3D增强ZL205铝基复合材料中的走向和排布特征，而且不存在缩孔缩松等铸造缺陷；右侧附图为氧化铝纤维3D增强ZL205铝基复合材料中X、Y、Z向丝材的SEM微观组织形貌，可以看出氧化铝纤维丝在第一铝合金基体(第一液态铝合金形成的基体)中分布均匀，未发现局部纤维丝偏聚以及充填不足等微观浸渗缺陷现象。

2)采用常规方法，对实施例3制备的氧化铝纤维3D增强ZL205铝基复合材料的各组分含量进行计算，结果表明，其中的纤维体积分数为30％，铝合金体积分数为70％。

3)根据阿基米德排水法原理，对实施例3制备的氧化铝纤维3D增强ZL205铝基复合材料进行致密度测试，结果发现，其平均致密度为98.0％。

4)对实施例1～3制备的3D增强铝基复合材料在室温和高温(400℃)下进行基本拉伸力学性能测试，结果见表1。

表1实施例1～3制备的3D增强铝基复合材料在室温和高温(400℃)下的基本拉伸力学性能数据

由表1可知，本发明实施例制备的3D增强铝基复合材料具有优异的力学性能。

以上实施例的结果表明，本发明制备的3D增强铝基复合材料微观组织缺陷少、致密度高，且具有优异的力学性能；且可以精确控制3D增强铝基复合材料内部纤维结构形状和纤维的体积分数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种结构可控的3D增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将单向纤维布沿纤维方向进行铺叠，固定后，得到单向纤维板；

将所述单向纤维板与第一液态铝合金沿纤维方向进行液态浸渗复合，得到单向纤维增强铝基复合材料板材；

将所述单向纤维增强铝基复合材料板材沿平行纤维方向进行切割，得到单向铝基复合材料丝材；

将所述单向铝基复合材料丝材按照3D结构进行搭接后，进行固结绑定，得到3D增强体；

将所述3D增强体与第二液态铝合金进行复合，得到结构可控的3D增强铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单向纤维布包括石墨纤维布、碳化硅纤维布或氧化铝纤维布。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以体积百分数计，所述单向纤维板的纤维含量为50～70％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，进行所述液态浸渗复合之前，还包括：将所述单向纤维板进行预热，所述预热的温度为500～600℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一液态铝合金的制备过程包括：将铝合金进行熔炼，得到第一液态铝合金；所述熔炼的温度为700～750℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液态浸渗复合的条件包括：真空度为10～25Pa，浸渗压力为0.4～0.5MPa。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单向纤维增强铝基复合材料板材中，铝合金的体积分数为30～50％，纤维的体积分数为50～70％。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二液态铝合金的制备过程包括将铝合金在660～700℃进行熔炼，保温20～30min后，得到第二液态铝合金，所述复合的时间为120～180s。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的结构可控的3D增强铝基复合材料，其特征在于，所述结构可控的3D增强铝基复合材料中，铝合金的体积分数为50～70％，纤维的体积分数为30～50％。

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