CN113996770A - 一种碳纤维增强金属板轧制成型设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强金属板轧制成型设备及方法，目的是解决现有碳纤维增强金属基复合板制备工艺复杂、生产环境要求高、难以实现连续生产、碳纤维体积分数低、碳纤维容易损伤、碳纤维在基体中分布不均匀等技术问题。本发明采用超薄金属板上提前铺设碳纤维，避免了复合板制备过程中导致的碳纤维分布不均匀的问题，结合电磁振荡装置，完成金属基体对碳纤维的浸润作用，利用轧制工艺直接制备碳纤维增强金属基复合板，使高体积分数的碳纤维均匀的分布在金属板内，充分发挥碳纤维的抗拉性能，具有制备工艺简单、增强体分布均匀、可实现复合板连续生产的优点。

Description

一种碳纤维增强金属板轧制成型设备及方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强金属板轧制成型设备及方法。

背景技术

碳纤维增强金属基复合材料以金属为基体，碳纤维为增强相，集碳纤维和金属基体的优点于一体，弥补了金属基体在拉伸性能等方面的不足，其中，碳纤维主要起到承担载荷的作用，金属基体则起到连接增强体、传递载荷的作用。此外，碳纤维具有低密度、高强度、高模量、低热膨胀系数、耐高温、高导热与导电率、抗辐射等优点，结合上金属基体良好的韧性、优异的导电导热性能，使碳纤维增强金属基复合材料比传统的复合材料更适用于现代化的生产应用。目前，广泛应用的金属基体有铝基、镁基、钛基、铜基等材料，自上世纪五十年代就开始了碳纤维增强铝基复合材料的研究，现阶段也已经取得了显著的成效，采用铝和铝合金作为基体制备的碳纤维增强复合材料，能够有效的降低产品的质量，提高复合材料的各项性能，尤其是单向拉伸性能，为新型材料的生产节约了很多的成本。因此，在航空航天、电子行业以及汽车行业都有碳纤维增强金属基复合材料的应用。

经过国内外学者几十年的研究与探索，碳纤维增强金属基复合材料在生产工艺、理论基础、界面反应、综合性能等方面都有了很大的发展。然而仍有一些问题困扰着其性能进一步的提升，例如高温环境下，碳纤维容易与金属基体发生界面反应，大多数的界面反应产物对复合材料的性能都会造成不利的影响；再者，碳纤维在高温环境下容易发生氧化，从而失去其自身的优异性能，因此复合材料在制备过程中应该为真空或者惰性气氛状态；此外，诸多生产碳纤维增强金属基复合材料的工艺设备比较复杂，且对实验环境要求较高，从而制约了复合材料的生产规模，导致难以实现大规模连续化生产。因此，要想大规模连续的生产碳纤维增强金属基复合材料，需要在制备工艺上做出改进。

为了确保碳纤维均匀的分散在基体中，将碳纤维提前铺设在超薄金属板上，进而固定在生产设备上，从而解决了以往制备的复合材料中碳纤维体积分数低、分布不均匀的问题，其中碳纤维的含量可通过增加超薄金属板的数量实现。这样的设置也不会妨碍碳纤维的前期处理，例如碳纤维表面金属化。

电磁振荡线圈装置的添加，能够在一定程度上解决金属基体与碳纤维之间浸润性差的问题，通过轧制前期的振荡过程，来提高碳纤维与金属基体之间的界面结合强度。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“一种碳纤维增强金属层合方管及其制作方法”（申请号201810037321.7）公布了一种采用金属薄壁方管折叠变形的预测方法，初步预测薄壁结构折叠变形的波长，然后将碳纤维平铺在金属表面，最后对含有碳纤维的金属板进行加热加压制备成品。中国发明专利“一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料及其制备方法”（申请号201811206218 .7）公布了一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，即首先对碳纤维进行预处理，然后将预处理后的碳纤维与金属丝绑定在一起，再将金属丝碳纤维复合体编织成三维架构，最后将三维碳纤维架构增强体与基体金属液在超声振动下挤压成型。中国发明专利“一种在线熔融碳纤维增强铝镁复合板铸轧成型设备及方法”（申请号201811529124 .3）公布了一种在线熔融碳纤维增强铝镁复合板的制备方法，即将金属板和碳纤维一起固定在轧辊上，利用加热线圈对金属板进行加热，同时向铸轧密闭腔内吹入惰性气体形成保护气氛，使其达到同步生产复合材料的效果，最终经冷却后制备碳纤维增强铝镁复合板。这些技术所涉及金属基复合材料制备工艺均可以制备出碳纤维增强金属基复合材料，但存在生产工艺与设备复杂、制备成本太高、碳纤维易遭受氧化损伤、不能实现连续化生产等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种碳纤维增强金属板轧制成型设备及方法，解决现有技术制备碳纤维增强金属基复合板工艺与设备复杂、制备成本太高、碳纤维易遭受氧化损伤、不能实现连续化生产等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种碳纤维增强金属板轧制成型设备，包括左浇注箱、右浇注箱、左轧辊、右轧辊、矫直辊、气体保护系统、电磁振荡系统、封闭箱、超薄金属板、碳纤维，其特征在于，所述左浇注箱、右浇注箱均与封闭箱接触配合，防止氧气在四周进入，左右浇注箱上端设有超薄金属板与碳纤维的固定装置，并设有惰性气体吹气孔，该吹气孔向封闭箱中持续通入保护气，保护气的作用是防止碳纤维在高温下氧化损伤，此外，两个浇注箱均设有金属液浇注口、金属液补液口；所述左轧辊、右轧辊均与封闭箱相连接，目的是在两个轧辊之上形成液态金属池，方便金属液对碳纤维的预热与浸润；所述超薄金属板与碳纤维经两个浇注箱、封闭箱通向左右两轧辊的交汇处；所述电磁振荡系统由左电磁振荡线圈、右电磁振荡线圈构成，该振荡系统的目的是提高金属液对碳纤维的渗透性，该装置能够有效减少轧制工艺快速成型过程中导致的浸润性差的问题；所述矫直辊设置在碳纤维增强金属板的出口处，对复合板进行校直，防止复合板成型后发生变形。

进一步，所述左浇注箱、右浇注箱与封闭箱的连接处配有导轨装置，用于调节两浇注箱的间距。

进一步，所述超薄金属板可以为铝板、镁板；碳纤维可以为纤维布、纤维束；浇注箱中的金属液可以为铝液、镁液、铜液。

本发明还提供了一种碳纤维增强金属板轧制成型方法，包括以下步骤：

①按工艺要求安装好左浇注箱与右浇注箱，并调整好两浇注箱之间的间距，保证超薄金属板与碳纤维能够固定在中间位置；

②将超薄金属板与碳纤维置于两浇注箱中间，引导其通过封闭箱到达两轧辊处；

③打开吹气装置，在吹气孔处吹入惰性气体，使封闭箱中为保护气气氛，防止复合板制备过程中碳纤维发生氧化损伤，直到轧制过程结束才能停止保护气的通入；

④将两个浇注箱内的金属加热至预定温度，打开左电磁振荡线圈、右电磁振荡线圈对碳纤维、金属液进行振荡处理，来提高金属液对碳纤维的浸润性；

⑤设置好轧机的轧制速度，打开金属液浇注口，使金属液通过封闭箱到达轧辊处，然后开始碳纤维增强金属板的轧制成型；

⑥打开金属液补液口，使浇注箱中有充足的金属液，同时打开碳纤维的传送装置、超薄金属板的送料装置，使整个系统达到连续生产的状态。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：本发明采用提前在超薄金属板上铺设碳纤维的方法，集浇注系统、保护气系统、电磁振荡系统于一体，利用轧制成型工艺制备碳纤维增强金属基复合板，使具有多种优异性能的碳纤维均匀的分散在金属基体中，具有结构简单、易于操作、可调控性强的优点，解决了现有技术不能连续生产碳纤维增强金属基复合板的、制备的碳纤维增强金属基复合材料中碳纤维体积分数较低、碳纤维损伤严重、设备复杂且成本高的技术问题。

附图说明

图1为本发明碳纤维增强金属板轧制成型设备的结构示意图（剖面图）。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例，将结合附图在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的保护范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

如图1所示，一种碳纤维增强金属板轧制成型设备，包括：左浇注箱1、右浇注箱2、左轧辊3、右轧辊4、矫直辊5、气体保护系统、电磁振荡系统、封闭箱6、超薄铝板7、连续碳纤维8，其特征在于，所述左浇注箱1、右浇注箱2均与封闭箱6接触配合，防止氧气在四周进入，左右浇注箱上端设有超薄铝板7与连续碳纤维8的固定装置，并设有惰性气体氮气吹气孔9，该吹气孔9向封闭箱6中持续通入保护氮气，保护气的作用是防止连续碳纤维在高温下氧化损伤，此外，两个浇注箱均设有铝液浇注口10、铝液补液口11；所述左轧辊3、右轧辊4均与封闭箱6相连接，目的是在两个轧辊之上形成液态金属池，方便金属液对碳纤维的预热与浸润；所述超薄铝板7与连续碳纤维8经两个浇注箱、封闭箱6通向左右两轧辊的交汇处；所述电磁振荡系统由左电磁振荡线圈12、右电磁振荡线圈13构成，该振荡系统的目的是提高铝液14对连续碳纤维8的渗透性，该装置能够有效减少轧制工艺快速成型过程中导致的浸润性差的问题；所述矫直辊5设置在连续碳纤维增强铝板的出口处，对复合板15进行校直，防止复合板15成型后发生变形。

本发明还提供了一种碳纤维增强金属板轧制成型方法，包括以下步骤：

①按工艺要求安装好左浇注箱1与右浇注箱2，并调整好两浇注箱之间的间距为1mm，保证超薄铝板7与连续碳纤维8能够固定在中间位置；

②将超薄铝板7与连续碳纤维8置于两浇注箱中间，引导其通过封闭箱6到达两轧辊处；

③打开吹气装置，在吹气孔9处吹入氮气，使封闭箱6中为氮气气氛，防止复合板制备过程中碳纤维发生氧化损伤，直到轧制过程结束才能停止保护气的通入；

④将两个浇注箱内的铝锭加热至680℃，打开左电磁振荡线圈13、右电磁振荡线圈14对连续碳纤维8、铝液14进行振荡处理，来提高铝液对碳纤维的浸润性；

⑤设置好轧机的轧制速度为4rad/min，打开铝液浇注口10，使铝液通过封闭箱6到达轧辊处，然后开始连续碳纤维增强铝板的轧制成型；

⑥打开铝液补液口11，使浇注箱中有充足的铝液，同时打开连续碳纤维8的传送装置、超薄铝板7的送料装置，使整个系统达到连续生产的状态。

本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的变化和改型都应为权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种碳纤维增强金属板轧制成型设备，包括：左浇注箱（1）、右浇注箱（2）、左轧辊（3）、右轧辊（4）、矫直辊（5）、气体保护系统、电磁振荡系统、封闭箱（6）、超薄金属板（7）、碳纤维（8），其特征在于，所述左浇注箱（1）、右浇注箱（2）均与封闭箱（6）接触配合，防止氧气在四周进入，左右浇注箱上端设有超薄金属板（7）与碳纤维（8）的固定装置，并设有惰性气体吹气孔（9），该吹气孔（9）向封闭箱（6）中持续通入保护气，保护气的作用是防止碳纤维在高温下氧化损伤，此外，两个浇注箱均设有金属液浇注口（10）、金属液补液口（11）；所述左轧辊（3）、右轧辊（4）均与封闭箱（6）相连接，目的是在两个轧辊之上形成液态金属池，方便金属液对碳纤维的预热与浸润；所述超薄金属板（7）与碳纤维（8）经两个浇注箱、封闭箱（6）通向左右两轧辊的交汇处；所述电磁振荡系统由左电磁振荡线圈（12）、右电磁振荡线圈（13）构成，该振荡系统的目的是提高金属液（14）对碳纤维（8）的渗透性，该装置能够有效减少轧制工艺快速成型过程中导致的浸润性差的问题；所述矫直辊（5）设置在碳纤维增强金属板的出口处，对复合板（15）进行校直，防止复合板（15）成型后发生变形。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强金属板轧制成型设备，其特征是，所述的左浇注箱（1）、右浇注箱（2）与封闭箱（6）的连接处配有导轨装置，用于调节两浇注箱的间距。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强金属板轧制成型设备，其特征是，所述的超薄金属板（7）可以为铝板、镁板；碳纤维（8）可以为纤维布、纤维束；浇注箱中的金属液可以为铝液、镁液、铜液。

4.一种碳纤维增强金属板轧制成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

①按工艺要求安装好左浇注箱（1）与右浇注箱（2），并调整好两浇注箱之间的间距，保证超薄金属板（7）与碳纤维（8）能够固定在中间位置；

②将超薄金属板（7）与碳纤维（8）置于两浇注箱中间，引导其通过封闭箱（6）到达两轧辊处；

③打开吹气装置，在吹气孔（9）处吹入惰性气体，使封闭箱（6）中为保护气气氛，防止复合板制备过程中碳纤维发生氧化损伤，直到轧制过程结束才能停止保护气的通入；

④将两个浇注箱内的金属加热至预定温度，接通左电磁振荡线圈（13）和右电磁振荡线圈（14）电源，对碳纤维（8）、金属液（14）进行振荡处理，来提高金属液对碳纤维的浸润性；

⑤设置好轧机的轧制速度，打开金属液浇注口（10），使金属液通过封闭箱（6）到达轧辊处，然后开始碳纤维增强金属板的轧制成型；

⑥打开金属液补液口（11），使浇注箱中有充足的金属液，同时打开碳纤维（8）的传送装置、超薄金属板（7）的送料装置，使整个系统达到连续生产的状态。

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