一种连续纤维增强金属基复合材料型材的制备方法

摘要

本发明公开了一种连续纤维增强金属基复合材料型材的制备方法，包括如下步骤：①将连续纤维制成连续纤维预制体，并对该连续纤维预制体进行表面涂层处理；②将经表面涂层处理的连续纤维预制抽真空；③加热复合材料基体至完全熔化；④将连续纤维预制体浸入熔化的基体金属中浸渗处理；⑤使基体金属为固-液两相共存状态；⑥采用成形模具对基体金属为固-液两相共存状态的复合材料进行成形处理，即得。本发明方法工艺简单可控、对设备要求低、成本低廉，并可适用于不同材质纤维和金属基体，适用范围广泛。

说明书

一、技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强金属基复合材料型材的制备方法。

二、背景技术

材料是社会进步的物质基础和先导。对材料性能提出了越来越高，越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料已越来越不能满足实际需要。复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料可经过设计，即通过对原材料的选择、各组成成分分布和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能。与传统的弥散强化或沉淀强化相比，在连续纤维增强复合材料承受载荷时，基体起传递载荷的作用，纤维为主要承力组元，因此显著提高了材料的抗张强度。特别是以碳纤维为代表的连续纤维性能的不断提高和价格的不断下降，连续纤维增强金属基复合材料也越来越受到重视。此外，连续纤维增强金属材料也可以增强材料的弹性模量，充分发挥增强纤维高模量的特点。采用纤维来增强金属基体通常具有高比强度、高比模量、高的韧性、疲劳性能及抗冲击能力好；良好的耐热、耐磨、和阻尼性能；不老化、不吸湿、防燃等特点，成为各国高新材料研究开发的重要领域。

制备连续纤维增强金属基复合材料的方法可以归纳为固相法和液相法两大类。为了得到性能优异且满足各种需要的特种复合材料，根据复合材料不同组元以及复合材料本身的性能特征，常用的制备方法主要有挤压铸造法、连续浸渗法、真空低压浸渗法、真空吸铸法、扩散结合法等。但传统的制备方法都有其缺点。

1997年日本朝倉書店出版的《複合材料の事典》一书中宮入裕夫等人对挤压铸造法的制备工艺及其优缺点进行了阐述。挤压铸造法挤压铸造是将纤维与粘结剂制成的预制体放在模具中加热到一定的温度，将熔融金属注入模具中，迅速合模加压，使液态金属在压力作用下浸渗到预制件中，冷却后得到连续纤维增强金属基复合材料制品。挤压铸造制备连续纤维增强金属基复合材料的工艺简单，通过增大基体的浸渗压力使得基体对碳纤维的填充更充分，同时可以减少材料内部的铸造缺陷。但是，由于制备压力大，容易造成增强体损伤和预制块变形，因此对纤维预制件的刚度等有一定的要求，并且模具设计也比较复杂。

连续浸渗法是使单束的纤维通过熔融金属浴，将金属液填充到纤维束间，然后挤出多余的金属液，并同时进行凝固，实现碳纤维与金属基体的复合化，从而获得纤维增强金属基复合丝—线材。这种复合丝是一种复合材料的预制品，还需要经过二次加工才能得到所需的复合材料。

真空低压浸渗法是将纤维预制体和金属基体放在模具中，抽真空、并加热到金属基体的熔点以上，注入惰性气体，并保持压力一段时间；在惰性气体的压力作用下，液态金属缓慢深入到碳纤维预制体中。

2006年出版的《Journal of Materials Processing Technology》第175卷杂志 “Fabrication technology and material characterization of carbon fibre reinforced magnesium”(218―224页)一文中W. Hufenbach等利用该法在730℃、30MPa、15min的条件下制备了C_f/Mg复合材料。真空低压浸渗法可以制备各种复杂形状的连续纤维增强金属基复合材料，比挤压铸造法使用的压力低，预制体的变形量小，且能减少气孔、疏松和缩孔等铸造缺陷，但对设备要求较高、且生产周期长。

扩散结合法是最早成功地用于制造C_f/Mg复合材料的制备方法。2005年出版的《高科技纤维与应用》第30卷第5期杂志中“碳纤维的发展及其应用现状”(24-30, 40页)一文中黎小平等对扩散结合法进行了介绍。将复合丝切成所需长度，拉直后用粘合剂粘在一起做成复合带，该粘合剂在升温时会热分解且不留残余物。将复合带与镁箔(0.089mm)交替叠放做成复合材料坯料，放入真空容器中，加热到适当温度（482°C-538°C）后加压（14-69MPa）并保压一定时间。该工艺也可用于对离子镀膜、喷镀、电镀涂层碳纤维进行二次加工。扩散结合法是通过控制时间、温度和压力使复合丝压缩变形紧密接触、然后通过扩散使复合丝结合可方便地控制碳纤维取向和体积分数。但是扩散黏结所需要的时间长，在高温和高压条件下生产成本较高。

热轧法也是一种通过压实和结合来制造低成本复合材料薄板的热等温轧制过程。将连续纤维制成的复合丝与金属箔交替铺设在一起，再经过热等温轧制过程可以制备复合材料薄板。该法要求在真空或惰性气体保护下进行加工，对设备和工艺都有很高要求。

总之，目前的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法都有其优点和不足。液相法对增强纤维的物理损伤相对较小，适合形状复杂、尺寸较小的零部件生产，但生产周期较长、不适合薄板等型材的工业化量产。固相法虽然可连续生产板材等复合材料，但一般需要复合材料的初级产品—复合丝，复杂的生产工序增加了材料制备成本；另外，增强纤维一般为脆性材料，在巨大压力作用下，塑性变形对增强纤维的损伤较大，不利于发挥增强纤维的性能优势。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种生产成本低廉、适合工业化连续生产的连续纤维增强金属基复合材料型材的制备方法，该方法能有效地克服现有技术中的诸多不足。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：该方法包括如下步骤：

①按照复合材料型材的受力分布，将连续纤维制成连续纤维预制体，并对该连续纤维预制体进行表面涂层处理，以保证连续纤维在复合材料中的合力空间分布；

②将经经步骤①表面涂层处理的连续纤维预制体放入真空炉中,在<100Pa的条件下抽真空；

③加热复合材料基体金属至液相线以上10-300℃，使基体金属完全熔化；

④将经步骤②抽真空处理的连续纤维预制体浸入熔化的基体金属中，进行浸渗处理；

⑤浸渗完毕后，降低基体金属温度至液相线温度和固相线温度之间，使基体金属为固-液两相共存状态；

⑥采用成形模具对步骤⑤所得基体金属为固-液两相共存状态的复合材料进行双辊轧铸或拉拔等凝固成形处理，并控制成形模具的温度为基体金属固相线温度以下20-300℃,即获得连续碳纤维增强金属基复合材料型材。

上述连续纤维预制体包括二维纺织布和三维编织体，可根据复合材料的使用受力情况合理调整纤维空间排布，提高连续纤维的利用效率；此外，可以根据增强纤维和金属基体之间的物理和化学相容性进行增强纤维表面改性处理。

上述基体金属包括镁合金、铝合金、锌合金、锡合金等低熔点金属合金。

上述浸渗处理包括无压浸渗、超声波浸渗及气压浸渗等多种浸渗辅助手段。

上述成形处理包括基体金属凝固过程，通过控制成形模具的温度、提拉或拉拔速度等工艺参数实现成形和凝固同时进行；成形处理还包括控制复合材料中纤维增强体体积分数的作用，通过调整成形模具之间的复合材料成形通道的尺寸，挤出多余固-液两相共存状态的金属基体，达到控制增强体体积分数的目的；在成形处理过程中，提拉或拉拔等处理所需的拉力主要由连续纤维预制体承担，处于固―液两相状态的金属基体不承受载荷。

本发明方法具有如下优点：

⑴本方法工艺简单可控、对设备要求低、成本低廉，并可适用于不同材质纤维和金属基体，适用范围广泛。

⑵可根据复合材料的使用受力情况合理排布连续纤维，充分发挥连续纤维的优异性能，提高复合材料的力学和物理性能。

⑶在复合材料的定形处理过程中，基体金属为固―液两相共存状态，不仅可以大大降低复合材料制备过程对纤维增强体的损伤，还可以细化金属基体的晶粒、提高复合材料的力学性能。

⑷本方法适合工业化量产，利用或简单改造现有的铝合金、钢铁产业型材的生产设备（例如双辊铸轧设备），只需更换不同的成形模具就可批量生产多种型材，例如板材、管材、“工”字形以及“凹”字形等等截面型材。

四、具体实施方式

实施例1：

制备连续碳纤维增强ZK60镁合金基复合材料薄板

①用连续碳纤维平纹纺织布为原材料制备厚度为2.0mm的板状连续碳纤维预制体，然后利用传统溶胶-凝胶法在碳纤维表面涂覆5% Y₂O₃稳定ZrO₂涂层。

②将经表面涂层处理的连续碳纤维预制体放在真空炉中盛有ZK60镁合金容器的上方，抽真空至5Pa以下。

③加热ZK60镁合金至710℃后，把连续碳纤维预制体浸入熔融的镁合金中浸渗15分钟。

④冷却基体金属至480-500℃，使基体金属处于固-液两相共存状态。

⑤向真空炉中充入SF₆作为保护气体，打开真空炉盖，把金属基体处于固-液两相共存状态的复合材料从金属基体熔池中提拉出来后；使用温度为350 ^oC的双辊对饱含固―液两相状态金属基体的复合材料进行轧铸定形处理，双辊之间间隙为2.0mm，双辊的转速和复合材料的提拉速度均为60cm/分钟；经过定形处理后，拆除固定框架并裁边后，获得厚度约为2.0mm的连续碳纤维增强ZK60镁合金复合材料板材。

本方法采用T300碳纤维制备的50vol.%连续碳纤维二维增强ZK60镁合金基复合材料板材的沿碳纤维长轴方向的拉伸强度可以达到650MPa。

实施例2：

制备连续碳纤维增强2024铝合金基复合材料“凹”字形型材

①用三维连续碳纤维编织体为原材料制备厚度为1.5mm的“凹”字形连续碳纤维预制体，然后利用传统溶胶-凝胶法在碳纤维表面涂覆TiO₂涂层。

②将经表面涂层处理的连续碳纤维预制体放在真空炉中盛有2024铝合金容器的上方，抽真空至0.1Pa以下。

③加热至700℃后，把连续碳纤维预制体浸入熔融的2024铝合金中，关闭抽真空阀门，并向炉内充入氩气至0.5MPa，气压浸渗10分钟。

④冷却基体金属至580-600℃，使2024铝合金处于固-液两相共存状态。

⑤打开真空炉盖，把金属基体处于固-液两相共存状态的复合材料从2024铝合金熔池中提拉出来后，使用温度为400℃的轧辊对饱含固―液两相状态金属基体的复合材料进行铸轧定形处理，控制轧辊之间间隙为1.5mm，轧辊的转速和复合材料的提拉速度均为50cm/分钟；经过定形处理后，拆除固定框架并裁边后，获得壁厚为1.5mm的连续碳纤维增强2024铝合金复合材料“凹”字形型材。

本方法采用T300碳纤维制备的50vol.%连续碳纤维增强2024铝合金基复合材料型材的沿碳纤维长轴方向拉伸强度可以达到680MPa。

实施例3：

制备连续碳纤维增强ZK60镁合金基复合材料管材

①用三维连续碳纤维编织体为原材料制备厚度为1.5mm、内径为97.5mm、一端封闭的圆筒形连续碳纤维预制体，利用传统溶胶-凝胶法在碳纤维表面涂覆5% Y₂O₃稳定ZrO₂涂层。

②把外径为96mm的复合材料内圆成形钢模具作为芯棒，固定于真空炉坩埚内，表面涂覆石墨脱模剂；把连续碳纤维预制体筒套在内圆成形模具上，并固定于真空炉中，抽真空至5Pa以下。

③加热至710℃后，向真空炉中的坩埚内注入710℃的液态ZK60镁合金，使合金液面低于芯棒顶端200mm，保证连续碳纤维预制体浸入熔融的镁合金中，并浸渗15分钟。

④冷却基体金属至480-500℃使基体金属处于固-液两相共存状态。

⑤向真空炉中充入SF₆作为保护气体，打开真空炉盖，将温度为335℃、内径为100mm的复合材料外圆成形模具与真空炉坩埚内芯棒的轴线基本保持在一条直线上，并将外圆模具套入芯棒100mm；拉拔连续碳纤维预制体，使饱含固―液两相状态金属基体的复合材料以50cm/分钟的速度通过内外圆定形模具之间的空隙，实现定形处理；对复合材料两端进行剪切后，获得壁厚为1.5mm、外径为100mm的连续碳纤维增强ZK60镁合金复合材料管材。

本方法采用T300碳纤维制备的50vol.%连续碳纤维增强ZK60镁合金基复合材料的沿管材长轴方向和圆周方向的拉伸强度分别可以达到650 MPa和550MPa。