CN117127125A - 一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属复合材料技术领域，具体涉及一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料及其制备方法，包括铝硅合金骨架，所述铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压入连续氧化铝纤维骨架中形成，所述连续氧化铝纤维骨架为单向编制刷涂有β‑锂霞石粉末分散液的氧化铝纤维布铺层叠放而成。本发明的增强铝基复合材料，其热膨胀系数小，比强度高，比模量高，价格相对便宜，重量轻。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合材料技术领域，尤其涉及一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着高新技术领域的发展，对材料的各项性能提出了更高的要求，能够结合各种材料优势的复合材料飞速发展，其中以连续纤维增强金属基复合材料的性能最为优异且制备难度最大。目前所使用到的连续长纤维中，氧化铝纤维是一种价格相对碳纤维更为便宜且力学性能也较为优异的材料，并且具有优异的耐高温性能，有着巨大的实际应用前景。
但是氧化铝纤维相比较其他低膨胀纤维(如碳纤维，-1ppm/K，碳化硅纤维，4.4ppm/K)有个相对更高的热膨胀系数(7ppm/K)。这意味着其制备的金属基复合材料能达到的膨胀系数仍然较大，可能无法满足一些对材料尺寸要求较高的高技术领域要求。因此可以通过添加一些负热膨胀粉体来降低氧化铝纤维增强金属基复合材料的膨胀系数，扩大其应用范围。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料及其制备方法，以解决现有复合材料热膨胀系数高的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，包括铝硅合金骨架，所述铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压入连续氧化铝纤维骨架中形成，所述连续氧化铝纤维骨架为单向编制刷涂有β-锂霞石粉末分散液的氧化铝纤维布铺层叠放而成。
所述β-锂霞石粉末分散液是将具有负热膨胀属性的β-锂霞石粉末均匀的分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中形成，β-锂霞石粉末的重量百分比为20-80％。
所述氧化铝纤维布铺层叠放时，每铺一层，氧化铝纤维布旋转90°。
所述β-锂霞石粉末分散液刷涂在氧化铝纤维布的上下表面。
所述氧化铝纤维布的编织密度为100-300g/m2，厚度为0.2-0.35mm。
优选的，所述复合材料为板材。
所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将β-锂霞石粉末均匀分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，以得到β-锂霞石粉末分散液；
步骤二、将β-锂霞石粉末分散液刷涂在单向编织氧化铝纤维布的上下表面；
步骤三、在台面的表面先铺设脱模布，之后铺设一层步骤二处理后的氧化铝纤维布，然后旋转90°，再铺设一层处理后的氧化铝纤维布，之后循环往复铺设；
步骤四、在最上层的氧化铝纤维布上再铺设一层脱模布，获得预制体；
步骤五、对预制体挤压以除去多余的溶液；
步骤六、将步骤五处理后的预制体置于马弗炉中除去聚乙烯醇，以获得连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体；
步骤七、将连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体置于底部开孔的石墨圆柱腔体中，加热到800-850℃；
步骤八、在800-850℃将铝硅合金融化，注入石墨腔体中；
步骤九、对铝硅合金液施压，以使铝硅合金液进入到连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体中；
步骤十、破碎石墨腔体，获得复合材料的胚料。
所述磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液的配置方法是将聚乙烯醇颗粒和磷酸二氢铝粉末按质量比1:2溶解在水中，配置成磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液，其中，聚乙烯醇的重量百分比为10％。
所述步骤五的挤压压力为10-50Mpa。
所述步骤九中施压的压力为5～20Mpa。
本发明的有益效果：本发明的增强铝基复合材料，由于加入了负热膨胀的陶瓷粉末，获得了其他氧化铝纤维增强铝基复合材料所不可能具备的极低热膨胀系数，并且比强度高，比模量高，价格相对便宜，重量轻。可以通过改变氧化铝纤维布的编织密度、厚度，β-锂霞石加入量，预制体压力获得具有不同程度热膨胀系数的高比强度和比模量的连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，具有很强的设计性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的复合材料的热膨胀曲线；
图2为本发明实施例1制备的复合材料的拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
本发明涉及一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，包括铝硅合金骨架，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压入连续氧化铝纤维骨架中形成，连续氧化铝纤维骨架为单向编制刷涂有β-锂霞石粉末分散液的氧化铝纤维布铺层叠放而成。此种连续氧化铝纤维/β-锂霞石增强铝基复合材料，其热膨胀系数小，比强度高，比模量高，价格相对便宜，重量轻。下面通过具体的实例进行详细说明。
实施例1
一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，为板材，其包括包括铝硅合金骨架，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压入连续氧化铝纤维骨架中形成，连续氧化铝纤维骨架为单向编制氧化铝纤维布铺层叠放而成，每铺一层，纤维布旋转90°；弥散β-锂霞石粉末为一种负膨胀陶瓷粉末，β-锂霞石粉末均匀的分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，β-锂霞石粉末的重量比为50％；刷涂在氧化铝纤维布的上下表面，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压进连续氧化铝纤维骨架中形成。其中，氧化铝纤维布编织密度为200g/m2，厚度为0.28mm。磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，聚乙烯醇重量比为10％，磷酸二氢铝重量比为20％。
该连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将聚乙烯醇颗粒和磷酸二氢铝粉末溶解在水中，配置成磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇重量比为10％，磷酸二氢铝重量比为20％；
(2)通过搅拌将β-锂霞石粉末均匀分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，β-锂霞石粉末的重量比为50％；
(3)将单向编织的氧化铝纤维布浸没在均匀分散了β-锂霞石粉末的磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，十分钟后将布提拉出液面，悬空晾置，直到排出多余的溶液，即获得处理后的氧化铝纤维布；
(4)使用酒精清洗台面并在其表面铺设一层脱模布，再铺设一层处理后的氧化铝纤维布，旋转90°，再铺设一层处理后的氧化铝纤维布，循环往复；
(5)在最上层的氧化铝纤维布上再铺设一层脱模布，获得预制体；
(6)将预制体置于压机下挤压，除去多余的溶液，预制体在压机下挤压的压强为50Mpa；
(7)将预制体放在马弗炉中除去聚乙烯醇并使磷酸二氢铝起到粘结氧化铝纤维和β-锂霞石的作用，以此获得具有一定力学性能的连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体；
(8)将连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体置于底部开孔的石墨圆柱腔体中，加热到800℃；
(9)在800℃将铝硅合金融化，注入石墨圆柱腔体中；
(10)通过压机对铝液施加20MPa压力，使铝硅合金液进入到连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体中；
(11)破碎石墨圆柱腔体，即可获得该复合材料的胚料，切割成小块后即可进行热膨胀系数和力学性能的测试。
实施例2
一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，为板材，其包括包括铝硅合金骨架，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压入连续氧化铝纤维骨架中形成，连续氧化铝纤维骨架为单向编制氧化铝纤维布铺层叠放而成，每铺一层，纤维布旋转90°；弥散β-锂霞石粉末为一种负膨胀陶瓷粉末，β-锂霞石粉末均匀的分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，β-锂霞石粉末的重量比为50％；刷涂在氧化铝纤维布的上下表面，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压进连续氧化铝纤维骨架中形成。其中，氧化铝纤维布编织密度为100g/m2，厚度为0.2mm。磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，聚乙烯醇重量比为10％，磷酸二氢铝重量比为20％。
该连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将聚乙烯醇颗粒和磷酸二氢铝粉末溶解在水中，配置成磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇重量比为10％，磷酸二氢铝重量比为20％；
(2)通过搅拌将β-锂霞石粉末均匀分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，β-锂霞石粉末的重量比为50％；
(3)将单向编织的氧化铝纤维布浸没在均匀分散了β-锂霞石粉末的磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，十分钟后将布提拉出液面，悬空晾置，直到排出多余的溶液，即获得处理后的氧化铝纤维布；
(4)使用酒精清洗台面并在其表面铺设一层脱模布，再铺设一层处理后的氧化铝纤维布，旋转90°，再铺设一层处理后的氧化铝纤维布，循环往复；
(5)在最上层的氧化铝纤维布上再铺设一层脱模布，获得预制体；
(6)将预制体置于压机下挤压，除去多余的溶液，预制体在压机下挤压的压强为50Mpa；
(7)将预制体放在马弗炉中除去聚乙烯醇并使磷酸二氢铝起到粘结氧化铝纤维和β-锂霞石的作用，以此获得具有一定力学性能的连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体；
(8)将连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体置于底部开孔的石墨圆柱腔体中，加热到800℃；
(9)在800℃将铝硅合金融化，注入石墨圆柱腔体中；
(10)通过压机对铝液施加20MPa压力，使铝硅合金液进入到连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体中；
(11)破碎石墨圆柱腔体，即可获得该复合材料的胚料，切割成小块后即可进行热膨胀系数和力学性能的测试。
实施例3
一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，为板材，其包括包括铝硅合金骨架，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压入连续氧化铝纤维骨架中形成，连续氧化铝纤维骨架为单向编制氧化铝纤维布铺层叠放而成，每铺一层，纤维布旋转90°；弥散β-锂霞石粉末为一种负膨胀陶瓷粉末，β-锂霞石粉末均匀的分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，β-锂霞石粉末的重量比为50％；刷涂在氧化铝纤维布的上下表面，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压进连续氧化铝纤维骨架中形成。其中，氧化铝纤维布编织密度为400g/m2，厚度为0.35mm。磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，聚乙烯醇重量比为10％，磷酸二氢铝重量比为20％。
该连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将聚乙烯醇颗粒和磷酸二氢铝粉末溶解在水中，配置成磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇重量比为10％，磷酸二氢铝重量比为20％；
(2)通过搅拌将β-锂霞石粉末均匀分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，β-锂霞石粉末的重量比为50％；
(3)将单向编织的氧化铝纤维布浸没在均匀分散了β-锂霞石粉末的磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，十分钟后将布提拉出液面，悬空晾置，直到排出多余的溶液，即获得处理后的氧化铝纤维布；
(4)使用酒精清洗台面并在其表面铺设一层脱模布，再铺设一层处理后的氧化铝纤维布，旋转90°，再铺设一层处理后的氧化铝纤维布，循环往复；
(5)在最上层的氧化铝纤维布上再铺设一层脱模布，获得预制体；
(6)将预制体置于压机下挤压，除去多余的溶液，预制体在压机下挤压的压强为50Mpa；
(7)将预制体放在马弗炉中除去聚乙烯醇并使磷酸二氢铝起到粘结氧化铝纤维和β-锂霞石的作用，以此获得具有一定力学性能的连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体；
(8)将连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体置于底部开孔的石墨圆柱腔体中，加热到800℃；
(9)在800℃将铝硅合金融化，注入石墨圆柱腔体中；
(10)通过压机对铝液施加20MPa压力，使铝硅合金液进入到连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体中；
(11)破碎石墨圆柱腔体，即可获得该复合材料的胚料，切割成小块后即可进行热膨胀系数和力学性能的测试。
对比例1
一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，为板材，其包括包括铝硅合金骨架，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压入连续氧化铝纤维骨架中形成，连续氧化铝纤维骨架为单向编制氧化铝纤维布铺层叠放而成，每铺一层，纤维布旋转90°；弥散β-锂霞石粉末为一种负膨胀陶瓷粉末，β-锂霞石粉末均匀的分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，β-锂霞石粉末的重量比为50％；刷涂在氧化铝纤维布的上下表面，铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压进连续氧化铝纤维骨架中形成。其中，氧化铝纤维布编织密度为200g/m2，厚度为0.28mm。磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，聚乙烯醇重量比为10％，磷酸二氢铝重量比为20％。
该连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将聚乙烯醇颗粒和磷酸二氢铝粉末溶解在水中，配置成磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇重量比为10％，磷酸二氢铝重量比为20％；
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(10)通过压机对铝液施加2MPa压力，使铝硅合金液进入到连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体中；
(11)破碎石墨圆柱腔体，即可获得该复合材料的胚料，切割成小块后即可进行热膨胀系数和力学性能的测试。
本发明的实施例1制备的复合材料的热膨胀温度曲线如图1所示，纵向膨胀系数为1.5ppm/K，横向膨胀系数为5.8ppm/K。本发明的实施例2制备的复合材料纵向膨胀系数为-2.0ppm/K，横向膨胀系数为2.3ppm/K。本发明的实施例3制备的复合材料纵向膨胀系数为5.1ppm/K，横向膨胀系数为8.2ppm/K。本发明的实施例1制备的复合材料的力学性能如图2所示，纵向弹性模量210Gpa,横向弹性模量120Gpa，纵向抗拉强度为1.6Gpa。本发明的对比例1制备的复合材料纵向弹性模量为70Gpa,横向弹性模量50Gpa，纵向抗拉强度为300Mpa。这是由于铝的浸渗压力过小，浸渗速度较慢，铝液未完全进入预制体骨架空隙中就降温凝固，导致制备的复合材料中出现大量孔隙，大大降低了其力学性能。通过β-锂霞石在连续氧化铝纤维表面的均匀覆盖，连续氧化铝纤维的周期性排列以及高性能β-锂霞石/连续氧化铝纤维预制体的制备，在保证了连续氧化铝纤维增强铝基复合材料优异力学性能的同时通过引入β-锂霞石降低了复合材料的膨胀系数，拓宽了其应用范围。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，其特征在于，包括铝硅合金骨架，所述铝硅合金骨架为熔融铝硅合金挤压入连续氧化铝纤维骨架中形成，所述连续氧化铝纤维骨架为单向编制刷涂有β-锂霞石粉末分散液的氧化铝纤维布铺层叠放而成。
2.根据权利要求1所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，其特征在于，所述β-锂霞石粉末分散液是将β-锂霞石粉末均匀的分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中形成，β-锂霞石粉末的重量百分比为20-80％。
3.根据权利要求1所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，其特征在于，所述氧化铝纤维布铺层叠放时，每铺一层，氧化铝纤维布旋转90°。
4.根据权利要求1所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，其特征在于，所述β-锂霞石粉末分散液刷涂在氧化铝纤维布的上下表面。
5.根据权利要求1所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，其特征在于，所述氧化铝纤维布的编织密度为100-400g/m2，厚度为0.2-0.35mm。
6.根据权利要求1所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料为板材。
7.根据权利要求1所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将β-锂霞石粉末均匀分散在磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液中，以得到β-锂霞石粉末分散液；
步骤二、将β-锂霞石粉末分散液刷涂在单向编织氧化铝纤维布的上下表面；
步骤三、在台面的表面先铺设脱模布，之后铺设一层步骤二处理后的氧化铝纤维布，然后旋转90°，再铺设一层处理后的氧化铝纤维布，之后循环往复铺设；
步骤四、在最上层的氧化铝纤维布上再铺设一层脱模布，获得预制体；
步骤五、对预制体挤压以除去多余的溶液；
步骤六、将步骤五处理后的预制体置于马弗炉中除去聚乙烯醇，以获得连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体；
步骤七、将连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体置于底部开孔的石墨圆柱腔体中，加热到800-850℃；
步骤八、在800-850℃将铝硅合金融化，注入石墨腔体中；
步骤九、对铝硅合金液施压，以使铝硅合金液进入到连续氧化铝纤维/β-锂霞石贯通骨架预制体中；
步骤十、破碎石墨腔体，获得复合材料的胚料。
8.根据权利要求7所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液的配置方法是将聚乙烯醇颗粒和磷酸二氢铝粉末按质量比1:2溶解在水中，配置成磷酸二氢铝-聚乙烯醇水溶液，其中，聚乙烯醇的重量百分比为10％。
9.根据权利要求7所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤五的挤压压力为10-50Mpa。
10.根据权利要求7所述连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤九中施压的压力为5-20Mpa。
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