CN113718184A - 一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，将TiB2颗粒粉末与2024Al进行球磨混粉得到TiB2/Al混合粉末，对T‑300SC碳纤维使用化学方法镀镍，然后将TiB2/Al混合粉末与镀镍后的碳纤维通过机械搅拌法进行混粉，最后将所得的烧结预制体粉末通过放电等离子烧结技术来制备得到TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。本发明中引入的TiB2增强相均匀分布在基体中，通过弥散强化提高了材料的强度。碳纤维增强相在拔出和剥离可以有效提高材料的拉伸强度，而且碳纤维表面的镍涂层有效阻止了碳纤维与铝基体的接触与反应，阻止了脆性相Al4C3的形成，显著提高了复合材料的综合力学性能。

Description

一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于铝基复合材料制备技术领域，具体涉及一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
近年来随着现代航空航天、军工以及交通运输等领域对轻量化材料的要求越来越高，研发轻质高强的材料成为当下的热点。纯铝密度低，加工性能好，但其强度低、耐磨性差，难以满足实际应用的需求，而传统的合金强化对其的力学性能提高有限，2024Al是铝-铜-镁系合金中的一种高强度硬铝，强度较高且有一定的耐热性，综合性能较好，主要可用于制作各种高负荷的构件如飞机上的骨架零件机翼前缘、机身、蒙皮、铆钉以及汽车轮毂等，被广泛应用于航空航天领域和汽车军事领域等。相比于铝合金，铝基复合材料具有重量轻、高比强度、高比刚度、高耐磨、低热膨胀系数、尺寸稳定等优点，性能更加优异，具有很强的实用性以及可设计性。
目前常用的颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量、良好的耐磨性以及抗疲劳等优异性能，但纳米碳化硅增强7075Al的断后伸长率在含量为0.25wt％～0.50wt％时，缓慢下降，在超过0.50wt％时会急剧下降。
单纯的纤维增强铝基复合材料在增强材料强度的同时，会降低材料的塑性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，所制备的铝基复合材料强度、韧性提高，服役寿命提高，采用TiB2颗粒和碳纤维作为增强相，在提高材料强度的同时，保持或提高其塑性，进一步扩大铝基复合材料的应用范围。
本发明采用以下技术方案：
一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、使用球磨法将颗粒纯度为99.9％，平均粒度为5～20μm的TiB2颗粒与纯度为99.9％，平均粒度为30～50μm的2024Al粉末进行球磨混粉；
S2、对碳纤维进行去胶预处理，将碳纤维浸泡在丙酮中浸泡12～36h并搅拌；
S3、对步骤S2去胶预处理的碳纤维进行粗化预处理，将碳纤维浸泡在粗化液中浸泡2～5h并搅拌；
S4、对步骤S3粗化预处理的碳纤维进行敏化预处理，将碳纤维浸泡在敏化液中浸泡10～30min并搅拌；
S5、对步骤S4敏化预处理的碳纤维进行活化预处理，将碳纤维浸泡在活化液中活化处理10～30min并搅拌；
S6、对步骤S5活化预处理的碳纤维进行还原预处理，将碳纤维浸泡在还原液中还原处理10～30min并搅拌；
S7、对步骤S6经过还原预处理的碳纤维进行化学镀镍；
S8、对步骤S7化学镀镍后的碳纤维进行清洗、抽滤和干燥处理；
S9、将步骤S8干燥后的镀镍碳纤维与步骤S1球磨处理后的TiB2/2024Al混合粉末进行混粉处理，然后进行抽滤，将混合粉末进行干燥处理得到烧结预制体粉末；
S10、使用步骤S9制备好的烧结预制体粉末，通过放电等离子烧结方法制备TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。
具体的，步骤S1中，球磨时间为4～8h，球磨20～50min后需暂停10～20min，球磨罐内保护气氛为氩气。
具体的，步骤S3中，粗化液的具体成分为100～300g/L的(NH4)2S2O8和50～150ml/L的H2SO4。
具体的，步骤S4中，敏化液的具体成分为20～40g/L的SnCl2·2H2O和30～70ml/L的HCl。
具体的，步骤S5中，活化液的具体成分为0.2～0.4g/L的PdCl2和10～20ml/L的HCl。
具体的，步骤S6中，还原液为10～30g/L的NaH2PO2·H2O。
具体的，步骤S7中，化学镀镍的镀液成分为10～30g/L的NiSO4·6H2O，10～20g/L的NaH2PO2·H2O，5～10g/L的Na3C3H5O7·2H2O，10～20g/l的NH4Cl和10～16g/L的NaOH，镀液的溶质按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中，镀镍反应的温度为55～75℃，反应时间为5～15min。
具体的，步骤S9中，混粉使用无水乙醇作为溶剂，首先添加0.1wt％～4wt％的镀镍碳纤维搅拌1～3min，再添加TiB2(1wt％～10wt％)/2024Al混合粉末共同搅拌5～10min。
具体的，步骤S9中，干燥温度为70～90℃，干燥时间为1h～3h。
具体的，步骤S10中，放电等离子烧结方法具体为：
烧结压力为25～35MPa，升温速率为20～50℃/min，从0℃升到400℃之后保温2～5min，再以同样的升温速率升温至450～500℃，接着在保温温度下保温8～15min，得到致密的TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，采用球磨法对TiB2颗粒与2024Al进行混粉可以保证粉末混合均匀，并且在微米尺度的TiB2的基础上获得更多纳米尺度的TiB2增强相，使得复合材料的力学性能更加优异；采用机械混粉的方法来制备烧结预制体粉末，可以有效改善纤维易团聚的问题，有效增强复合材料的力学性能。采用放电等离子烧结的方法可以改善采用铸造方法时碳纤维与2024Al基体润湿性差的缺点；对碳纤维进行化学镀镍可以避免脆性相Al4C3的生成，有效增强复合材料的塑韧性。。
进一步的，球磨时间为4～8h，可以保证2024Al粉末与TiB2粉末得到充分均匀的混合，并且得到更多尺度的TiB2粉末。球磨20～50min后需暂停10～20min，可以使得球磨机不会长时间连续工作，保证制备仪器球磨机的使用寿命。球磨罐内保护气氛为氩气，氩气作为惰性气体可以充分保护2024Al粉末不会在球磨过程中被氧化。
进一步的，粗化液的具体成分为100～300g/L的(NH4)2S2O8和50～150ml/L的H2SO4可以有效增强碳纤维表面的粗糙度，更加有利于之后的化学镀镍反应。
进一步的，敏化液的具体成分为20～40g/L的SnCl2·2H2O和30～70ml/L的HCl，可以使得纤维表面成功吸附到一层凝胶状物质，用于在活化过程中吸附钯离子。
进一步的，活化液的具体成分为0.2～0.4g/L的PdCl2和10～20ml/L的HCl，可以使得钯离子成功吸附在碳纤维表面，有助于化学镀镍反应的进行。
进一步的，还原液为10～30g/L的NaH2PO2·H2O，可以成功去除在活化过程中遗留的钯离子。
进一步的，化学镀镍的镀液成分为10～30g/L的NiSO4·6H2O，10～20g/L的NaH2PO2·H2O，5～10g/L的Na3C3H5O7·2H2O，10～20g/l的NH4Cl和10～16g/L的NaOH，镀液的溶质按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中，镀镍反应的温度为55～75℃，反应时间为5～15min，可以得到具有薄厚得当且分布均匀Ni渡层的碳纤维。
进一步的，混粉使用无水乙醇作为溶剂，便于混合完毕后进行快速干燥得到烧结预制体粉末；首先添加0.1wt％～4wt％的镀镍碳纤维搅拌1～3min，可以保证容易团聚的碳纤维在无水乙醇当中得到充分的分散；再添加TiB2(1wt％～10wt％)/2024Al混合粉末共同搅拌5～10min，可以得到充分混合均匀的烧结预制体粉末。
进一步的，干燥温度为70～90℃，干燥时间为1h～3h，可以快速蒸发乙醇，使得制备好的烧结预制体粉末快速干燥。
进一步的，放电等离子烧结设置烧结压力为20～40MPa，升温速率为20～150℃/min，烧结保温温度为450～500℃，保温时间为10～20min，可以得到组织致密均匀、性能优越的TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。
综上所述，本发明可以在提高材料强度的同时，有效改善普通颗粒增强铝基复合材料的塑性，提高抗拉强度、硬度等力学性能，扩大其应用范围，提高其使用寿命。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料扫描电子显微镜微观组织低倍形貌图；
图2为本发明TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料扫描电子显微镜微观组织高倍形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，将TiB2颗粒粉末与2024Al进行球磨混粉得到TiB2/Al混合粉末，将此混合粉末与通过化学镀镍进行改性的碳纤维通过机械搅拌法进行混粉，最后将所得的混合良好的Cf/TiB2/2024Al粉末通过放电等离子烧结技术来制备得到TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。
本发明一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、使用球磨法将颗粒纯度为99.9％，平均粒度为5～20μm的TiB2颗粒与纯度为99.9％，平均粒度为30～50μm的2024Al粉末进行球磨混粉；
球磨时间为4～8h，球磨20～50min后需暂停0～20min，球磨罐内保护气氛为氩气。
S2、对碳纤维进行去胶预处理，将碳纤维浸泡在丙酮中浸泡12～36h；
碳纤维的型号为T-300SC，浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌。
S3、对碳纤维进行粗化预处理，将碳纤维浸泡在粗化液中浸泡2～5h；
粗化液的具体成分为：(NH4)2S2O8为100～300g/L，H2SO4为50～150ml/L，处理过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌。
S4、对碳纤维进行敏化预处理，将碳纤维浸泡在敏化液中浸泡10～30min；
敏化液的具体成分为：SnCl2·2H2O：20～40g/L，HCl：30～70ml/L，处理过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌。
S5、对碳纤维进行活化预处理，将碳纤维浸泡在活化液中活化处理10～30min；
活化液的具体成分为PdCl2：0.2～0.4g/L，HCl：10～20ml/L，处理过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌。
S6、对碳纤维进行还原预处理，将碳纤维浸泡在还原液中还原处理10～30min；
还原液的组成为NaH2PO2·H2O：10～30g/L，处理过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌。
S7、对经过预处理工艺的碳纤维进行化学镀镍，将碳纤维加入镀液中进行化学反应，镀镍反应的温度为55～75℃，反应时间为5～15min，反应过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌以及恒温加热；
化学镀镍的镀液成分为：NiSO4·6H2O为10～30g/L，NaH2PO2·H2O为10～20g/L，Na3C3H5O7·2H2O为5～10g/L，NH4Cl为10～20g/l，NaOH为10～16g/L，镀液的溶质需要按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中。
S8、对镀镍后的碳纤维进行清洗、抽滤和干燥处理，干燥的温度为80～120℃，干燥时间设置为2～4h；
S9、将步骤S8干燥后的镀镍碳纤维与步骤S1球磨处理后的TiB2/2024Al混合粉末使用机械搅拌法进行混粉，搅拌结束后进行抽滤，将混合粉末放入干燥箱进行干燥，干燥温度为70～90℃，干燥时间为1h～3h，得到干燥的烧结预制体粉末；
混粉使用无水乙醇作为溶剂，首先添加0.1wt％～4wt％的镀镍碳纤维，搅拌1～3min后，将TiB2(1wt％～10wt％)/2024Al混合粉末添加入无水乙醇共同搅拌，搅拌时间5～10min。
S10、使用步骤S9制备好的烧结预制体粉末，通过放电等离子烧结方法制备TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。
烧结的具体参数如下：烧结压力为25～35MPa，升温速率为20～50℃/min，从0℃升到400℃之后保温2～5min，再以同样的升温速率升温至450～500℃并保温8～15min，得到致密的TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
1)首先取0.3gTiB2颗粒与30g2024Al粉末，将平均粒度5μm的TiB2颗粒与平均粒度30μm的2024Al粉末进行球磨混粉。球磨时间为4h，球磨30min暂停10min，球磨罐内保护气氛为氩气。
2)取1g短碳纤维以及500ml丙酮，对碳纤维进行去胶预处理，将碳纤维浸泡在丙酮中。碳纤维的型号为T-300SC，浸泡时间为12h，处理过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，去胶结束后对碳纤维清洗、抽滤。
3)对碳纤维进行粗化预处理，将碳纤维浸泡在500ml的粗化液中。粗化液的具体成分为：(NH4)2S2O8为100g/L，H2SO4为50ml/L，浸泡时间为2h,处理过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，粗化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
4)对碳纤维进行敏化预处理，将碳纤维浸泡在500ml敏化液中。敏化液的具体成分为：SnCl2·2H2O：20g/L，HCl：30ml/L，浸泡时间为10min，浸泡过程中要使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，粗化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
5)对碳纤维进行活化预处理，将碳纤维浸泡在活化液中。活化液的具体成分为PdCl2：0.2g/L，HCl：10ml/L，活化处理时间为10min，处理过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，活化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
6)对碳纤维进行还原预处理，将碳纤维浸泡在还原液中。还原液的组成为NaH2PO2·H2O：10g/L，还原处理时间为10min，处理过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，还原结束后对碳纤维清洗、抽滤。
7)对预处理之后的碳纤维进行化学镀镍，将碳纤维加入镀液中进行化学反应。化学镀镍的镀液成分为NiSO4·6H2O：10g/L，NaH2PO2·H2O：10g/L，Na3C3H5O7·2H2O:5g/L，NH4Cl:10g/l，NaOH:10g/L,镀液的溶质需要按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中。当镀液温度达到75℃后，将碳纤维加入其中，整个反应过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌以及恒温加热，反应持续10min后，将碳纤维取出。
8)对镀镍后的碳纤维进行清洗、抽滤、干燥。将碳纤维置于培养皿中放入干燥箱进行干燥，温度设置为80℃，干燥时间设置为4h。
9)对干燥过后的镀镍碳纤维与球磨之后的1wt％TiB2/2024Al混合粉末使用机械搅拌法进行混粉。混粉时使用无水乙醇作为溶剂，首先添加0.15g镀镍碳纤维，搅拌1min后，将TiB2(1wt％)/2024Al混合粉末添加入无水乙醇共同搅拌，搅拌时间5min。搅拌结束后进行抽滤，最后将混合粉末放入干燥箱进行干燥，干燥温度为70℃，干燥时间为3h。
10)通过放电等离子烧结的方法使用干燥的烧结预制体粉末进行制备TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。烧结的具体参数如下：烧结压力为25MPa，升温速率为20℃/min，升温到400℃后保温2min，再以同样的烧结速率升到烧结保温温度450℃，保温时间5min，得到0.5wt％Cf/1wt％TiB2/2024Al(0.5wt％的碳纤维以及1wt％的TiB2协同增强2024Al的复合材料)复合材料。
实施例2
1)首先取0.6gTiB2颗粒与30g2024Al粉末，将平均粒度8μm的TiB2颗粒与平均粒度35μm的2024Al粉末进行球磨混粉。球磨时间为6h，球磨30min暂停10min，球磨罐内保护气氛为氩气。
2)取1.5g短碳纤维以及500ml丙酮，对短碳纤维进行去胶预处理，将碳纤维浸泡在丙酮中。碳纤维的型号为T-300SC，浸泡时间为24h，浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，去胶结束后对碳纤维清洗、抽滤。
3)对碳纤维进行粗化预处理，将碳纤维浸泡在500ml的粗化液中。粗化液的具体成分为：(NH4)2S2O8为200g/L，H2SO4为100ml/L，浸泡时间为2h,浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，粗化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
4)对碳纤维进行敏化预处理，将碳纤维浸泡在500ml敏化液中。敏化液的具体成分为：SnCl2·2H2O：30g/L，HCl：50ml/L，浸泡时间为20min，浸泡过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，敏化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
5)对碳纤维进行活化预处理，将碳纤维浸泡在活化液中。活化液的具体成分为PdCl2：0.3g/L，HCl：12ml/L，活化处理时间为20min，处理过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，活化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
6)对碳纤维进行还原预处理，将碳纤维浸泡在还原液中。还原液的组成为NaH2PO2·H2O：20g/L，还原处理时间为20min，浸泡过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，还原结束后对碳纤维清洗、抽滤。
7)对预处理之后的碳纤维进行化学镀镍，将碳纤维加入镀液中进行化学反应。化学镀镍的镀液成分为NiSO4·6H2O：20g/L，NaH2PO2·H2O：15g/L，Na3C3H5O7·2H2O:8g/L，NH4Cl:15g/l，NaOH:12g/L,镀液的溶质需要按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中。当镀液温度加热到65℃后，将碳纤维加入其中，整个反应过程中需要使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌以及恒温加热，反应持续10min后，将碳纤维取出。
8)对镀镍后的碳纤维进行清洗、抽滤、干燥。将碳纤维置于培养皿中放入干燥箱进行干燥，温度设置为100℃，干燥时间设置为3h。
9)对干燥过后的镀镍碳纤维与球磨之后的混合粉末使用机械搅拌法进行混粉。混粉时使用无水乙醇作为溶剂，首先添加0.3g的镀镍碳纤维，搅拌2min后，将TiB2与2024Al的混合粉末添加入无水乙醇共同搅拌，搅拌时间7min。搅拌结束后抽滤，最后将混合粉末放入干燥箱进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为2h。
10)通过放电等离子烧结的方法使用干燥的烧结预制体粉末进行制备TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。烧结的具体参数如下：烧结压力为30MPa，升温速率为30℃/min，升温到400℃后保温3min，再以同样的烧结速率升到烧结保温温度为480℃，保温时间10min，得到1wt％Cf/2wt％TiB2/2024Al(1wt％的碳纤维以及2wt％的TiB2协同增强2024Al的复合材料)复合材料。
实施例3
1)首先取1.5gTiB2颗粒与30g2024Al粉末，将平均粒度10μm的TiB2颗粒与平均粒度40μm的2024Al粉末进行球磨混粉。球磨时间为8h，球磨30min需暂停10min，球磨罐内保护气氛为氩气。
2)取2g短碳纤维以及500ml丙酮，对短碳纤维进行去胶预处理，将碳纤维浸泡在丙酮中。碳纤维的型号为T-300SC，浸泡时间为36h，浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，去胶结束后对碳纤维清洗、抽滤。
3)对所有去胶后的碳纤维进行粗化预处理，将碳纤维浸泡在500ml的粗化液中。粗化液的具体成分为：(NH4)2S2O8为300g/L，H2SO4为150ml/L，浸泡时间为2h,浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，粗化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
4)对碳纤维进行敏化预处理，将碳纤维浸泡在500ml敏化液中。敏化液的具体成分为：SnCl2·2H2O：40g/L，HCl：70ml/L，浸泡时间为30min，浸泡过程中要使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，敏化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
5)对碳纤维进行活化预处理，将碳纤维浸泡在活化液中。活化液的具体成分为PdCl2：0.4g/L，HCl：15ml/L，活化处理时间为30min，处理过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，活化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
6)对碳纤维进行还原预处理，将碳纤维浸泡在还原液中。还原液的组成为NaH2PO2·H2O：30g/L，还原处理时间为30min，浸泡过程中要使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，还原结束后对碳纤维清洗、抽滤。
7)对预处理之后的碳纤维进行化学镀镍，将碳纤维加入镀液中进行化学反应。化学镀镍的镀液成分为：NiSO4·6H2O为30g/L，NaH2PO2·H2O为20g/L，Na3C3H5O7·2H2O:为10g/L，NH4Cl为18g/L，NaOH:为16g/L,镀液的溶质需要按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中。当镀液温度达到70℃后，将碳纤维加入其中，整个反应过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌以及恒温加热，反应持续6min后，将碳纤维取出。
8)对镀镍后的碳纤维进行清洗、抽滤、干燥。将碳纤维置于培养皿中放入干燥箱进行干燥，温度设置为120℃，干燥时间设置为2h。
9)对干燥过后的镀镍碳纤维与球磨后的TiB2与2024Al的混合粉末使用机械搅拌法进行混粉。使用无水乙醇作为溶剂，首先添加0.6g的镀镍碳纤维，搅拌3min后，将31.5g的TiB2/2024Al混合粉末添加入无水乙醇共同搅拌，搅拌时间10min。搅拌结束后抽滤，然后将混合粉末放入干燥箱进行干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为1h。
10)通过放电等离子烧结的方法使用干燥的烧结预制体粉末进行制备TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。烧结的具体参数如下：烧结压力为35MPa，升温速率为50℃/min，升温到400℃后保温3.5min，再以同样的烧结速率升到烧结保温温度500℃，保温时间5～15min，得到致密的2wt％Cf/5wt％TiB2/2024Al(2wt％的碳纤维以及5wt％的TiB2协同增强2024Al的复合材料)复合材料。
实施例4
1)首先取2.4gTiB2颗粒与30g2024Al粉末，将平均粒度15μm的TiB2颗粒与平均粒度45μm的2024Al粉末进行球磨混粉。球磨时间为6h，球磨30min需暂停10min，球磨罐内保护气氛为氩气。
2)取2g短碳纤维以及500ml丙酮，对短碳纤维进行去胶预处理，将碳纤维浸泡在丙酮中。碳纤维的型号为T-300SC，浸泡时间为36h，浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，去胶结束后对碳纤维清洗、抽滤。
3)对所有去胶后的碳纤维进行粗化预处理，将碳纤维浸泡在500ml的粗化液中。粗化液的具体成分为：(NH4)2S2O8为200g/L，H2SO4为100ml/L，浸泡时间为5h,浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，粗化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
4)对碳纤维进行敏化预处理，将碳纤维浸泡在500ml敏化液中。敏化液的具体成分为：SnCl2·2H2O：30g/L，HCl：60ml/L，浸泡时间为30min，浸泡过程中要使用磁力搅拌器进行匀速搅拌，敏化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
5)对碳纤维进行活化预处理，将碳纤维浸泡在活化液中。活化液的具体成分为PdCl2：0.3g/L，HCl：15ml/L，活化处理时间为20min，处理过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，活化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
6)对碳纤维进行还原预处理，将碳纤维浸泡在还原液中。还原液的组成为NaH2PO2·H2O：25g/L，还原处理时间为20min，浸泡过程中要使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，还原结束后对碳纤维清洗、抽滤。
7)对预处理之后的碳纤维进行化学镀镍，将碳纤维加入镀液中进行化学反应。化学镀镍的镀液成分为：NiSO4·6H2O为20g/L，NaH2PO2·H2O为15g/L，Na3C3H5O7·2H2O:为8g/L，NH4Cl为15g/L，NaOH:为12g/L,镀液的溶质需要按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中。当镀液温度达到70℃后，将碳纤维加入其中，整个反应过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌以及恒温加热，反应持续6min后，将碳纤维取出。
8)对镀镍后的碳纤维进行清洗、抽滤、干燥。将碳纤维置于培养皿中放入干燥箱进行干燥，温度设置为100℃，干燥时间设置为2.5h。
9)对干燥过后的镀镍碳纤维与球磨后的TiB2与2024Al的混合粉末使用机械搅拌法进行混粉。使用无水乙醇作为溶剂，首先添加0.6g的镀镍碳纤维，搅拌2min后，将32.4g的TiB2/2024Al混合粉末添加入无水乙醇共同搅拌，搅拌时间8min。搅拌结束后抽滤，然后将混合粉末放入干燥箱进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为2h。
10)通过放电等离子烧结的方法使用干燥的烧结预制体粉末进行制备TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。烧结的具体参数如下：烧结压力为35MPa，升温速率为30℃/min，升温到400℃后保温2min，再以同样的烧结速率升到烧结保温温度480℃，保温时间10min，得到致密的2wt％Cf/8wt％TiB2/2024Al(2wt％的碳纤维以及8wt％的TiB2协同增强2024Al的复合材料)复合材料。
实施例5
1)首先取3gTiB2颗粒与30g2024Al粉末，将平均粒度20μm的TiB2颗粒与平均粒度50μm的2024Al粉末进行球磨混粉。球磨时间为8h，球磨30min暂停10min，球磨罐内保护气氛为氩气。
2)取1.5g短碳纤维以及500ml丙酮，对短碳纤维进行去胶预处理，将碳纤维浸泡在丙酮中。碳纤维的型号为T-300SC，浸泡时间为30h，浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，去胶结束后对碳纤维清洗、抽滤。
3)对碳纤维进行粗化预处理，将碳纤维浸泡在500ml的粗化液中。粗化液的具体成分为：(NH4)2S2O8为200g/L，H2SO4为100ml/L，浸泡时间为4h,浸泡过程使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，粗化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
4)对碳纤维进行敏化预处理，将碳纤维浸泡在500ml敏化液中。敏化液的具体成分为：SnCl2·2H2O：30g/L，HCl：50ml/L，浸泡时间为30min，浸泡过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，敏化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
5)对碳纤维进行活化预处理，将碳纤维浸泡在活化液中。活化液的具体成分为PdCl2：0.3g/L，HCl：12ml/L，活化处理时间为25min，处理过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，活化结束后对碳纤维清洗、抽滤。
6)对碳纤维进行还原预处理，将碳纤维浸泡在还原液中。还原液的组成为NaH2PO2·H2O：20g/L，还原处理时间为25min，浸泡过程中使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌，还原结束后对碳纤维清洗、抽滤。
7)对预处理之后的碳纤维进行化学镀镍，将碳纤维加入镀液中进行化学反应。化学镀镍的镀液成分为NiSO4·6H2O：20g/L，NaH2PO2·H2O：15g/L，Na3C3H5O7·2H2O:8g/L，NH4Cl:15g/l，NaOH:12g/L,镀液的溶质需要按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中。当镀液温度加热到65℃后，将碳纤维加入其中，整个反应过程中需要使用磁力搅拌器对其进行匀速搅拌以及恒温加热，反应持续8min后，将碳纤维取出。
8)对镀镍后的碳纤维进行清洗、抽滤、干燥。将碳纤维置于培养皿中放入干燥箱进行干燥，温度设置为100℃，干燥时间设置为3h。
9)对干燥过后的镀镍碳纤维与球磨之后的混合粉末使用机械搅拌法进行混粉。混粉时使用无水乙醇作为溶剂，首先添加0.6g的镀镍碳纤维，搅拌2min后，将TiB2与2024Al的混合粉末添加入无水乙醇共同搅拌，搅拌时间7min。搅拌结束后抽滤，最后将混合粉末放入干燥箱进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为3h。
10)通过放电等离子烧结的方法使用干燥的烧结预制体粉末进行制备TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。烧结的具体参数如下：烧结压力为35MPa，升温速率为20℃/min，升温到400℃后保温2min，再以同样的烧结速率升到烧结保温温度为480℃，保温时间8min，得到2wt％Cf/10wt％TiB2/2024Al(2wt％的碳纤维以及10wt％的TiB2协同增强2024Al的复合材料)复合材料。
表1各实施例所得样品的抗拉强度
Figure BDA0003178316340000181
如表1所示，实施例1～5所制备的TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的抗拉强度与延伸率均远大于基体材料2024Al，表明本发明极大地提高了2024Al的力学性能以及塑性，扩大了2024Al的应用范围。
综上所述，本发明一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，引入的TiB2增强相均匀分布在基体中，通过弥散强化提高了材料的强度。碳纤维增强相在拔出和剥离可以有效提高材料的拉伸强度，而且碳纤维表面的镍涂层有效阻止了碳纤维与铝基体的接触与反应，阻止了脆性相Al4C3的形成，显著提高了复合材料的综合力学性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用球磨法将颗粒纯度为99.9％，平均粒度为5～20μm的TiB2颗粒与纯度为99.9％，平均粒度为30～50μm的2024Al粉末进行球磨混粉；
S2、对碳纤维进行去胶预处理，将碳纤维浸泡在丙酮中浸泡12～36h并搅拌；
S3、对步骤S2去胶预处理的碳纤维进行粗化预处理，将碳纤维浸泡在粗化液中浸泡2～5h并搅拌；
S4、对步骤S3粗化预处理的碳纤维进行敏化预处理，将碳纤维浸泡在敏化液中浸泡10～30min并搅拌；
S5、对步骤S4敏化预处理的碳纤维进行活化预处理，将碳纤维浸泡在活化液中活化处理10～30min并搅拌；
S6、对步骤S5活化预处理的碳纤维进行还原预处理，将碳纤维浸泡在还原液中还原处理10～30min并搅拌；
S7、对步骤S6经过还原预处理的碳纤维进行化学镀镍；
S8、对步骤S7化学镀镍后的碳纤维进行清洗、抽滤和干燥处理；
S9、将步骤S8干燥后的镀镍碳纤维与步骤S1球磨处理后的TiB2/2024Al混合粉末进行混粉处理，然后进行抽滤，将混合粉末进行干燥处理得到烧结预制体粉末；
S10、使用步骤S9制备好的烧结预制体粉末，通过放电等离子烧结方法制备TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，球磨时间为4～8h，球磨20～50min后需暂停10～20min，球磨罐内保护气氛为氩气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，粗化液的具体成分为100～300g/L的(NH4)2S2O8和50～150ml/L的H2SO4。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，敏化液的具体成分为20～40g/L的SnCl2·2H2O和30～70ml/L的HCl。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，活化液的具体成分为0.2～0.4g/L的PdCl2和10～20ml/L的HCl。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中，还原液为10～30g/L的NaH2PO2·H2O。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中，化学镀镍的镀液成分为10～30g/L的NiSO4·6H2O，10～20g/L的NaH2PO2·H2O，5～10g/L的Na3C3H5O7·2H2O，10～20g/l的NH4Cl和10～16g/L的NaOH，镀液的溶质按照以上次序及对应浓度依次添加到去离子水中，镀镍反应的温度为55～75℃，反应时间为5～15min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S9中，混粉使用无水乙醇作为溶剂，首先添加0.1wt％～4wt％的镀镍碳纤维搅拌1～3min，再添加TiB2(1wt％～10wt％)/2024Al混合粉末共同搅拌5～10min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S9中，干燥温度为70～90℃，干燥时间为1h～3h。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S10中，放电等离子烧结方法具体为：
烧结压力为25～35MPa，升温速率为20～50℃/min，从0℃升到400℃之后保温2～5min，再以同样的升温速率升温至450～500℃，接着在保温温度下保温8～15min，得到致密的TiB2颗粒协同改性碳纤维增强铝基复合材料。
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