CN112962035A - 一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，本发明涉及提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法。本发明要解决目前碳纤维/铝基复合材料的界面反应及电化学反应所导致的复合材料易腐蚀的技术问题。方法：一、称料；二、将原料混熔，获得铝钇合金熔液；三、将碳纤维装入模具中预热，然后采用压力浸渗法，渗入铝钇合金熔液；四、热处理。本发明通过压力浸渗的方法使基体与增强体实现复合，并且利用元素Y在碳纤维与铝合金界面处的析出阻止碳纤维与铝发生界面反应，从而提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性能。本发明制备的碳纤维增强铝基复合材料可用于航空、航天、医疗和运动器材等多种领域。

Description

一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法
技术领域
本发明涉及提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法。
背景技术
碳纤维增强铝基复合材料其自身有着比强度、比刚度高的优势，一直被认为是航天结构材料的首选。目前已率先采用碳纤维增强铝基复合材料用于制造火箭发动机的外壳、导弹仪器舱、卫星天线支架、航天站上支架安装板及高精度光学测量系统中的光学反射镜或反射镜的支架等。随着航天技术的不断发展对轻质碳纤维铝基耐腐蚀复合材料的需求越来越迫切。碳纤维增强铝基复合材料由于碳纤维和铝基体的接触和界面反应，会生成容易水解的Al4C3，造成复合材料的腐蚀；另外，碳纤维与铝基体存在较大的电极电位差，容易形成电偶腐蚀，所以碳纤维增强铝基复合材料相比于铝合金具有高的腐蚀性。通过阳极氧化或者镀膜的形式可以提高耐腐蚀性，但制备工艺复杂，制备周期长，生产成本高。
发明内容
本发明要解决目前碳纤维/铝基复合材料的界面反应及电化学反应所导致的复合材料易腐蚀的技术问题，而提供一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法。
一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，是按以下步骤进行的：
一、称料：按照质量分数称取0.05～3％的钇元素粉末和97～99.5％的铝合金；
二、混熔：利用高温加热熔融步骤一称取的铝合金并加入钇元素粉末进行搅拌，得到铝钇合金熔液；
三、成型：将碳纤维装入模具中预热，然后采用压力浸渗法，将步骤二获得的铝钇合金熔液倒入模具中，装载石墨压头，通过压力机施加压力，铝钇合金熔液渗入到碳纤维中，得到复合材料；
四、热处理：将步骤三得到的复合材料加热进行保温，控制保温温度为300～400℃，保温时间为0.5h～12h，然后炉冷至室温，获得碳纤维增强铝基复合材料，完成该方法。
进一步的，步骤一按照质量分数称取1.0％的钇元素粉末和99.0％的铝合金。
进一步的，步骤一所述铝合金为5xxx系铝合金或6xxx系铝合金。
进一步的，步骤二所述高温加热熔融温度为750℃。
进一步的，步骤二所述高温加热熔融温度为800℃。
进一步的，步骤二控制搅拌时间为30～60min。
进一步的，步骤三控制预热温度为500℃，预热时间为1h。
进一步的，步骤三所述压力浸渗法，控制浸渗压力为25～50MPa。
进一步的，步骤三所述碳纤维为M40J碳纤维。
进一步的，步骤四控制加热升温速率为100℃/h，加热升温程序为：先升温至100℃保温0.5h，然后升温至200℃保温0.5h，再升温至300～400℃。
由热力学的角度我们知道晶界能越低，其抗腐蚀性能越好。而晶界能通常可用下式计算，γ＝γ0+Γ(ΔHseg-TΔSseg)，γ0是没有偏析时的本征的晶界能，Γ是单位面积溶质原子偏析引起的过剩能，ΔHseg是偏析引起的焓变，ΔSseg是偏析引起的熵变。ΔHseg是偏析的驱动力，而ΔHseg＝ΔHchem-ΔEel，ΔEseg是是由于偏析引起的弹性应变能的变化。由YAl的二元相图可知，钇在铝中的溶解度非常小，只有0.03at.％，钇几乎不溶于铝的晶界内。分析可知钇元素具有较大的原子半径
Figure BDA0002929520080000021
而铝的原子半径为
Figure BDA0002929520080000022
因此，二者之间的原子半径差别较大，钇元素溶解到铝的晶界内由于大的原子半径差异，造成非常大弹性应变能。根据上面的分析，弹性应变能大就会导致钇元素更容易从晶界析出，使晶界能减小。本发明就是利用这个原理，在铝合金中加入适量的稀土钇，使其在晶界处及碳纤维与铝的界面处析出，减少铝合金的晶界能可以抑制铝合金与碳纤维的界面反应产生的易水解的Al4C3的生成，另外，界面能低晶界更稳定，也有利于提高碳纤维与铝基体之间电极电位差，提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性。
本发明的有益效果是：本发明复合材料由铝合金作为基体，碳纤维作为增强体，在基体中加入少量的稀土元素Y，通过压力浸渗的方法让基体与增强体实现复合，并且利用元素Y在碳纤维与铝合金界面处的析出阻止碳纤维与铝界面反应，从而提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性。
经验证本发明方法获得的复合材料相比未经基体合金化复合材料的腐蚀电位提高84mV以上，腐蚀电流减少30％以上。证实本发明方法制备的碳纤维增强铝基复合材料的抗腐蚀性能好、制备工艺简单、制备周期短、制造成本低，可实现近净成型，也可进行电加工和机械加工。
本发明制备的碳纤维增强铝基复合材料可用于航空、航天、医疗和运动器材等多种领域。
附图说明
图1为实施例与对比实验制备的碳纤维/5056Al基复合材料的动电位极化曲线图，其中曲线1代表实施例一，曲线2代表实施例二，曲线3代表实施例三，曲线4代表对比实验。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，该制备方法是按以下步骤进行的：
一、称料：按照质量分数称取0.05～3％的钇元素粉末和97～99.5％的铝合金；
二、混熔：利用高温加热熔融步骤一称取的铝合金并加入钇元素粉末进行搅拌，得到铝钇合金熔液；
三、成型：将碳纤维模具预热，然后采用压力浸渗法，渗入步骤二获得的铝钇合金熔液，得到复合材料；
四、热处理：将步骤三得到的复合材料加热进行保温，控制保温温度为300～400℃，保温时间为0.5h～12h，然后炉冷至室温，获得碳纤维增强铝基复合材料，完成该方法。
本实施方式利用在基体加入Y元素的合金化的方法，利用Y在碳纤维与铝合金的界面处析出阻止碳纤维与铝的界面反应，同时提高碳纤维与基体的电极电位，从而提高复合材料的耐腐蚀性能。
1、本实施方式方法制备的碳纤维/铝基复合材料的基体铝合金中Y元素的质量分数能在很大范围内变化(0.05％-3％)，可有多种选择。
2、本实施方式中适量的Y元素的加入并长时间搅拌有利于Y元素的均匀分布，在碳纤维与铝的界面处偏析析出抑制碳纤维与铝的界面反应的发生。
3、本实施方式基体合金化后的复合材料较原复合材料具有高耐腐蚀性能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一按照质量分数称取0.1％的钇元素粉末和99.9％的铝合金。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一按照质量分数称取0.2％的钇元素粉末和99.8％的铝合金。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一按照质量分数称取1.0％的钇元素粉末和99.0％的铝合金。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述铝合金为5xxx系铝合金或6xxx系铝合金。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二所述高温加热熔融温度为750～800℃。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二控制搅拌时间为30～60min。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二所述高温加热熔融温度为750℃，控制搅拌时间为30min。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二所述高温加热熔融温度为750℃，控制搅拌时间为60min。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二所述高温加热熔融温度为800℃，控制搅拌时间为30min。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤三控制预热温度为500℃，预热时间为1h。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤三所述压力浸渗法，控制浸渗压力为25～50MPa。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤三所述碳纤维为M40J碳纤维。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：步骤四控制加热升温速率为100℃/h，加热升温程序为：先升温至100℃保温0.5h，然后升温至200℃保温0.5h，再升温至300～400℃。其它与具体实施方式一至十三之一相同。
采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，是按以下步骤进行的：
一、称料：按照质量分数称取0.1％的钇元素粉末和99.9％的5056铝合金；
二、混熔：将步骤一称取的5056铝合金加热至750℃恒温熔融，并加入钇元素粉末，采用搅拌器搅拌30min，得到铝钇合金熔液；
三、成型：将碳纤维预制体装入钢模具中预热，控制预热温度为500℃，预热时间为1h，然后采用压力浸渗法，将步骤二获得的铝钇合金熔液倒入模具中，装载石墨压头，通过压力机施加压力30MPa，铝钇合金熔液渗入到碳纤维中，得到复合材料；
四、热处理：将步骤三得到的复合材料加热进行保温，控制加热升温速率为100℃/h，加热升温程序为：先升温至100℃保温0.5h，然后升温至200℃保温0.5h，再升温至350℃，保温时间为6h，然后炉冷至室温，获得碳纤维/5056Al基复合材料，完成该方法。
其中碳纤维预制体的材质为M40J碳纤维。
对本实施例制备的碳纤维/5056Al基复合材料，在基体中加入0.1wt.％Y元素，加热750℃，保温30min。由复合材料的动电位极化曲线图可以得出，腐蚀电位为-978.24mV，腐蚀电流密度为6.128μA·cm-2，相比未经基体合金化的复合材料腐蚀电位提高了114.16mV，腐蚀电流减少了64.53％。
实施例二：
本实施例一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，是按以下步骤进行的：
一、称料：按照质量分数称取0.05％的钇元素粉末和99.95％的5056铝合金；
二、混熔：将步骤一称取的5056铝合金加热至750℃恒温熔融，并加入钇元素粉末，采用搅拌器搅拌30min，得到铝钇合金熔液；
三、成型：将碳纤维预制体装入钢模具中预热，控制预热温度为500℃，预热时间为1h，然后采用压力浸渗法，将步骤二获得的铝钇合金熔液倒入模具中，装载石墨压头，通过压力机施加压力30MPa，铝钇合金熔液渗入到碳纤维中，得到复合材料；
四、热处理：将步骤三得到的复合材料加热进行保温，控制加热升温速率为100℃/h，加热升温程序为：先升温至100℃保温0.5h，然后升温至200℃保温0.5h，再升温至350℃，保温时间为6h，然后炉冷至室温，获得碳纤维/5056Al基复合材料，完成该方法。
其中碳纤维预制体的材质为M40J碳纤维。
对本实施例制备的碳纤维/5056Al基复合材料，在基体中加入0.05wt.％Y元素，加热750℃，保温30min。由复合材料的动电位极化曲线图，可以得出，腐蚀电位为-958.24mV，腐蚀电流密度为8.92μA·cm-2，相比未经基体合金化的复合材料腐蚀电位提高了133.88mV，腐蚀电流减少了48.38％。
实施例三：
本实施例一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，是按以下步骤进行的：
一、称料：按照质量分数称取3.0％的钇元素粉末和97.0％的5056铝合金；
二、混熔：将步骤一称取的5056铝合金加热至750℃恒温熔融，并加入钇元素粉末，采用搅拌器搅拌30min，得到铝钇合金熔液；
三、成型：将碳纤维预制体装入钢模具中预热，控制预热温度为500℃，预热时间为1h，然后采用压力浸渗法，将步骤二获得的铝钇合金熔液倒入模具中，装载石墨压头，通过压力机施加压力30MPa，铝钇合金熔液渗入到碳纤维中，得到复合材料；
四、热处理：将步骤三得到的复合材料加热进行保温，控制加热升温速率为100℃/h，加热升温程序为：先升温至100℃保温0.5h，然后升温至200℃保温0.5h，再升温至350℃，保温时间为6h，然后炉冷至室温，获得碳纤维/5056Al基复合材料，完成该方法。
其中碳纤维预制体的材质为M40J碳纤维。
对本实验制备的碳纤维/5056Al基复合材料，在基体中加入3.0wt.％Y元素，加热750℃，保温30min。由复合材料的动电位极化曲线图，可以得出，腐蚀电位为-1007.8mV，腐蚀电流密度为11.82μA·cm-2，相比未经基体合金化的复合材料腐蚀电位提高了84.6mV，腐蚀电流减少了31.59％。
对比实验：
本对比实验未添加钇元素粉末，采用5056铝合金制备碳纤维/5056Al基复合材料。
对本实验制备的碳纤维/5056Al基复合材料，基体为5056铝合金，加热750℃，保温30min。由复合材料的动电位极化曲线图，可以得出，腐蚀电位为-1092.40mV，腐蚀电流密度为17.28μA·cm-2。
通过实施例一、实施例二、实施例三和对比实验可知，实施例制备的碳纤维/5056Al基复合材料腐蚀电流明显减少，抗腐蚀性能提高。这是由于基体合金中加入少量Y元素会抑制界面反应的的发生，有利于抑制复合材料的界面处Al4C3的生成，高温长时间搅拌会使Y元素分布均匀更易于在复合材料界面处偏聚，从而提高复合材料的耐腐蚀性能。

Claims (10)

1.一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于该制备方法是按以下步骤进行的：
一、称料：按照质量分数称取0.05～3％的钇元素粉末和97～99.5％的铝合金；
二、混熔：利用高温加热熔融步骤一称取的铝合金并加入钇元素粉末进行搅拌，得到铝钇合金熔液；
三、成型：将碳纤维装入模具中预热，然后采用压力浸渗法，渗入步骤二获得的铝钇合金熔液，得到复合材料；
四、热处理：将步骤三得到的复合材料加热进行保温，控制保温温度为300～400℃，保温时间为0.5h～12h，然后炉冷至室温，获得碳纤维增强铝基复合材料，完成该方法。
2.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤一按照质量分数称取1.0％的钇元素粉末和99.0％的铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤一所述铝合金为5xxx系铝合金或6xxx系铝合金。
4.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤二所述高温加热熔融温度为750℃。
5.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤二所述高温加热熔融温度为800℃。
6.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤二控制搅拌时间为30～60min。
7.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤三控制预热温度为500℃，预热时间为1h。
8.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤三所述压力浸渗法，控制浸渗压力为25～50MPa。
9.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤三所述碳纤维为M40J碳纤维。
10.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强铝基复合材料的耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤四控制加热升温速率为100℃/h，加热升温程序为：先升温至100℃保温0.5h，然后升温至200℃保温0.5h，再升温至300～400℃。
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