短纤维增强金属基复合材料产品多孔预成型体制备方法

摘要

一种短纤维增强金属基复合材料产品多孔预成型体制备方法，包括下述步骤：(1)制备浆料：将聚丙烯酰胺0.8～3份、天然纤维素4.2～8份、水玻璃7～12份、水200～500份加入到容器中，用搅拌机搅拌至均匀溶解，再加入增强相材料100份、短纤维材料40～100份，用搅拌机搅拌制成浆料，静置1小时；增强相材料是氧化铝颗粒或硅酸铝颗粒或氧化硅颗粒或氮化硼颗粒或碳化硅颗粒，短纤维材料是硅酸铝短纤维或氧化铝短纤维或氧化硅短纤维或碳短纤维；(2)预脱水；(3)制作坯件：(4)自然干燥：(5)焙烧：将经干燥的坯件放入焙烧炉内，在200℃烧结3小时，再升温至1200℃烧结8小时，制成预构件。

说明书

技术领域

本发明属于机械零件制造工艺技术领域，具体涉及到短纤维增强金属基复合材料产品多孔预成型体制备方法。

背景技术

纤维增强金属基复合材料是近二十年来现代复合材料领域发展与应用比较迅速的一个分支，它与颗粒增强金属基复合材料相比具有较好的塑性与韧性。长径比L/D一般在10～100之间的短纤维的价格较低，来源广，产品用途广泛，竞争力也较强。

制造纤维增强金属基复合材料的一种最具实用性与市场竞争力的方法是，将短纤维增强相先预制成具有一定的机械强度且空间孔隙结构比较均匀的成型构件，然后将其预热到足够的温度，迅速移入成型模具中，注入作为基体相的合金熔体并通过阳模向熔体施加70～150Mpa压力，迫使液态的基体相渗入增强相成型构件的孔隙中，使之相互充分熔接而凝固，形成所要求的零件毛坯。这种制作方法被称为挤压铸造法。另一种方法是将充分预热的予构件浸渍到具有设定特性的基体金属熔体中，利用多孔予构件的毛细作用，将液体金属引入增强相间隙中实现两相复合成型，即液态金属浸渗法。第三种是采用所谓真空——气压浇铸法，先将增强相予构件置入成型模的模腔，经加热并抽真空，然后用气体压力将作为基体相的金属熔体压入模腔使之迅速冷却成型。

上述短纤维增强金属基复合材料产品的多孔预成型体，通常应用干纤维加压制毡法实现预构件毛坯的制作，再通过高温烧结提高孔隙率和强度。其主要存在的技术问题是：1、制毡工作压力大，动能消耗高；2、毛坯孔隙分布均匀性差；3、高温烧结造孔费时冗长；4、烧结造孔过程中，微小孔隙会发生被封闭的反向效应；5、与4相应的情况会造成在随后的复合工艺过程中基体金属无法进入被封闭的微孔中而导致产品中存在孔洞缺陷并降低产品的力学性能；6、难于制得高质量多组元增强相预构件。

在上述任一种纤维增强金属基复合材料的制备方法中，如何预制一个增强纤维在空间排布比较均匀、又具有足够机械强度、便于加热，是有待于解决的技术问题。移位和浸渗基体金属相时不致解体的增强相预构件是十分重要的。注意到纤维增强相的体积分数通常仅为百分之几至百分之二十左右这样较小的份额，以及纤维态原材料通常都呈现自然结块聚团的状况，寻求简便有效的增强相予构件的制备方法，关系到复合材料质量水平和质量稳定性，也关系到产品的生产成本，是金属基复合材料在更广阔的非军需行业获得大规模应用的重要前提。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述制备方法的缺点，提供一种短纤维增强金属基复合材料产品多孔预成型体制备方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是它包括下述步骤：

(1)制备浆料

将聚丙烯酰胺、天然纤维素、水玻璃、水加入到容器中，用搅拌机搅拌至均匀溶解，再加入增强相材料、短纤维材料，用搅拌机搅拌制成浆料，静置1小时。

增强相材料、短纤维材料、聚丙烯酰胺、天然纤维素、水玻璃、水按下述的重量份配比混合制成浆料：

        增强相材料                 100

        短纤维材料                 40～100

        聚丙烯酰胺                 0.8～3

        天然纤维素                 4.2～8

        水玻璃                     7～12

        水                         200～500

上述的增强相材料是氧化铝颗粒，也可以是硅酸铝颗粒或氧化硅颗粒或氮化硼颗粒或碳化硅颗粒。上述的短纤维材料是硅酸铝短纤维，也可以是氧化铝短纤维或氧化硅短纤维或碳短纤维。

(2)预脱水

将制备好的浆料用孔径小于增强相粒子的滤网包扎，置于离心机或压力机内，用离心法或加压滤水法，脱去50％以上的水，制成糊状浆料。

(3)制作坯件

将预脱水后的糊状浆料加入预构件成型模具内，加30～50Mpa压力制成坯件。

(4)自然干燥

将已制备的坯件脱模后，在室温下自然干燥。

(5)焙烧

将经干燥的坯件放入焙烧炉内，在200℃烧结3小时，再升温至1200℃烧结8小时，制成预构件。

本发明浆料组分中增强相材料、短纤维材料、聚丙烯酰胺、天然纤维素、水玻璃、水的优选重量份配比为：

        增强相材料                100

        短纤维材料                50～80

        聚丙烯酰胺                1～2.5

        天然纤维素                5～7

        水玻璃                    7～10

        水                        300～400

本发明浆料组分中增强相材料、短纤维材料、聚丙烯酰胺、天然纤维素、水玻璃、水的最佳重量份配比为：

        增强相材料                100

        短纤维材料                70

        聚丙烯酰胺                2

        天然纤维素                6

        水玻璃                    8

        水                        350

本发明的短纤维材料的长径比L/D为10～100。

本发明应用灌浆法制作出质地均匀的增强相预构件毛坯，并使此毛坯在低温焙烧阶段可发生造孔效应，进而缩短高温烧结时间，避免微孔封闭现象，其结果是既可降低予构件制作成本，又可提高予构件质量，从而更好保证纤维增强金属基复合材料最终产品的性能。解决了干态压毡法无法解决的高质量、短纤维多元增强相预构件的制作技术难题，为纤维增强金属基复合材料产品的推广应用增加了有效的技术措施。

本发明与干态纤维加压制毡法比较，预构件孔隙结构分布更均匀，作为常温粘结剂的天然纤维素可因辅助造孔功能增加予构件孔隙率，可缩短依靠高温长时间烧结造孔的周期1/3～1/2，预防因高温长时烧结导致微小孔隙被封闭的负面效应，从而使金属基复合材料产品中存在孔洞缺陷，降低该产品的强度与塑性等力学性能。本发明适应于用加入两种以上颗粒或纤维或它们的混合物增强相组元，实现各组元在基体中的均布要求，而干态纤维压毡法则无法解决此操作难点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

本实施例的短纤维增强金属基复合材料产品多孔预成型体制备方法如下：

(1)制备浆料

将聚丙烯酰胺、天然纤维素、水玻璃、水加入到容器中，用搅拌机搅拌至均匀溶解，再加入增强相材料、短纤维材料，用搅拌机搅拌制成浆料，静置1小时。

增强相材料、短纤维材料、聚丙烯酰胺、天然纤维素、水玻璃、水按下述的重量份配比混合制成浆料：

        增强相材料                       100

        短纤维材料                       70

        聚丙烯酰胺                       2

        天然纤维素                       6

        水玻璃                           8

        水                               350

上述的增强相材料是氧化铝颗粒，上述的短纤维材料是硅酸铝短纤维，硅酸铝短纤维的长径比L/D为50。浆料中的天然纤维素既是常温粘结剂，也是焙烧时的造孔剂。而聚丙烯酰胺则起分散剂作用，使各溶质及天然纤维素得以充分溶解均匀并不易因重力作用而与溶液分离。

上述的浆料是坯件在低温焙烧阶段可发生造孔效应，缩短高温烧结时间，避免微孔封闭现象，既可降低予构件制作成本，又可提高予构件质量，从而更好保证纤维增强金属基复合材料最终产品的性能。解决了干态压毡法无法解决的高质量、短纤维多元增强相预构件的制作技术难题，为纤维增强金属基复合材料产品的推广应用增加了有效的技术措施。

(2)预脱水

将制备好的浆料用孔径小于增强相粒子的滤网包扎，置于离心机或压力机内，用离心法或加压滤水法，脱去50％以上的水，制成糊状浆料。

(3)制作坯件

将预脱水后的糊状浆料加入预构件成型模具内，加30～50Mpa压力制成坯件。

(4)自然干燥

将已制备的坯件脱模后，在室温下自然干燥。

(5)焙烧

将经干燥的坯件放入焙烧炉内，在200℃烧结3小时，再升温至1200℃烧结8小时，制成预构件。

实施例2

在本实施例的制备浆料工艺步骤中，所用的原料极其重量份配比为：

         增强相材料               100

         短纤维材料               40

         聚丙烯酰胺               0.8

         天然纤维素               4.2

         水玻璃                   7

         水                       200

上述的增强相材料是氧化铝颗粒，上述的短纤维材料是硅酸铝短纤维，硅酸铝短纤维的长径比L/D为10。其工艺步骤与实施例1相同。

实施例3

在本实施例的制备浆料工艺步骤中，所用的原料极其重量份配比为：  

         增强相材料               100

         短纤维材料               100

         聚丙烯酰胺               3

         天然纤维素               8

         水玻璃                   12

         水                       500

上述的增强相材料是氧化铝颗粒，上述的短纤维材料是硅酸铝短纤维，硅酸铝短纤维的长径比L/D为100。其工艺步骤与实施例1相同。

实施例4

在以上实施例1～3中，所用的增强相材料为硅酸铝颗粒，也可以是氧化硅颗粒，也可以是氮化硼颗粒，还可以是碳化硅颗粒。上述的短纤维材料是氧化铝短纤维，也可以是氧化硅短纤维，还可以是碳短纤维。其用量与相应的实施例相同，其工艺步骤与实施例1相同。