定向凝固连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料的制备

摘要

本发明涉及金属基复合材料技术领域，涉及一种定向凝固连续‑非连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法。将短碳纤维增强铝基复合材料作为连续碳纤维增强金属基复合材料的基体材料，并将其线切割加工成为半圆柱状的物料坯棒；所得的物料坯棒中间夹入与轴向方向相同的连续碳纤维；所得的夹有碳纤维的物料棒在惰性气体保护或真空条件下通过定向凝固设备进行完全熔化或区域熔化；保温一段时间后，将物料棒进行抽拉下移进入冷却液中，使其实现定向凝固。通过基体中短碳纤维对拉伸过程中复合材料裂纹扩展的阻碍作用，提升复合材料的力学性能。

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，特别涉及一种定向凝固制备连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料的方法。

背景技术

碳纤维增强金属基复合材料由于具有高的比模量，良好的尺寸稳定性和导热性等优异的性能，使其无论作为结构材料还是功能材料都具有广泛的潜在应用。

但是抗剪切性能的劣势严重影响连续碳纤维增强金属基复合材料的性能，并限制着其应用。目前短碳纤维增强金属基复合材料虽然具有各向同性的性能优势，但是在某一方向上又无法发挥出碳纤维性能的最大优势。因此开发一种在单一方向可以发挥碳纤维增强金属基复合材料性能优势，而又能提升复合材料抗剪切性能的新型连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料是十分必要的。

连续-非连续碳纤维增强铝基复合材料为一种以短碳纤增强铝基复合材料作为基体材料，以连续碳纤维作为增强体的新型碳纤维增强铝基复合材料。在该复合材料基体中的短碳纤维可以起到对裂纹的阻碍作用。在拉伸过程中，基体中的短纤维使裂纹必须发生切过或绕过机制，在此过程中短碳纤维会吸收大量断裂能量，从而可以抑制裂纹直接作用到连续纤维将其切断，连续碳纤维可以有效承受全部的载荷。因此连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料会提升目前单纯短碳纤维增强铝基复合材料或连续碳纤维增强铝基复合材料的综合性能。

发明内容

发明目的

本发明要解决的技术问题是克服现有连续碳纤维增强铝基复合材料抗剪切性能弱的缺点，利用基体中分布的多取向短碳纤维对裂纹进行阻碍，提供一种综合性能优异的定向凝固连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料制备方法。

技术方案

一种定向凝固连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：

（1）将短碳纤维增强铝基复合材料作为连续碳纤维增强金属基复合材料的基体材料，并将其线切割加工成为半圆柱状的物料坯棒；

（2）将两个步骤（1）所得的物料坯棒中间夹入与轴向方向相同的连续碳纤维；

（3）将步骤（2）所得的夹有碳纤维的物料棒在惰性气体保护或真空条件下通过定向凝固设备进行完全熔化或区域熔化；

（4）保温一段时间后，将物料棒进行抽拉下移进入冷却液中，使其实现定向凝固。

所述步骤（1）中的，作为基体材料的短碳纤维增强铝基复合材料中的短碳纤维呈各种朝向且均匀分布，所占体积分数为总体积的1-65%。

所述步骤（1）中半圆柱状的物料坯棒直径为Φ3-Φ50mm。

所述步骤（2）中连续碳纤维的体积分数占连续和非连续总的碳纤维增强金属基复合材料的1-95%。

所述步骤（2）中连续碳纤维单束间纤维间距为1-10mm。

所述步骤（4）中抽拉速度为1-5000μm/min。

所述步骤（4）中抽拉的位移距离为5-300mm。

所述金属基适用于铝合金、铜合金、镁合金、锡合金、钛合金、锌合金和铸铁。

优点及效果

1. 本发明采用定向凝固的方式制备连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料，极大地降低了连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料铸造缺陷，提升了复合材料的性能，有利于实现工业化应用。

2. 本发明采用定向凝固制备连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料，可以利用复合材料基体中的短碳纤维对扩展的裂纹进行抑制，实现碳纤维增强金属基复合材料抗剪切性能的提升，有利于碳纤维增强铝基复合材料性能的提升。

附图说明

图1为实施例1在扫描电镜下连续-非连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片；

图2为实施例2在扫描电镜下连续-非连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片；

图3为实施例3在扫描电镜下连续-非连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片。

具体实施方式

一种定向凝固连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，该方法步骤如下：

（1）将短碳纤维增强铝基复合材料作为连续碳纤维增强金属基复合材料的基体材料，并将其线切割加工成为半圆柱状的物料坯棒；本制备方法所述短碳纤维长度在3-15mm，连续碳纤维是长度大于15mm的长碳纤维；

（2）将两个步骤（1）所得的物料坯棒中间夹入与轴向方向相同的连续碳纤维；

（3）将步骤（2）所得的夹有碳纤维的物料棒在惰性气体保护或真空条件下通过定向凝固设备进行完全熔化或区域熔化；

（4）保温一段时间后，将物料棒进行抽拉下移进入冷却液中，使其实现定向凝固。

上述步骤（3）和步骤（4）所用的定向凝固设备是专利号：201810090275.7的设备装置。

所述步骤（1）中的，作为基体材料的短碳纤维增强铝基复合材料中的短碳纤维呈各种朝向且均匀分布，所占体积分数为总体积的1-65%，半圆柱状的物料坯棒直径为Φ3-Φ50mm。

所述步骤（2）中连续碳纤维的体积分数占连续和非连续总的碳纤维增强金属基复合材料的1-95%，连续碳纤维单束间纤维间距为1-10mm。

所述步骤（4）中抽拉速度为1-5000μm/min，抽拉的位移距离为5-300mm。

本制备方法所述金属基适用于铝合金、铜合金、镁合金、锡合金、钛合金、锌合金和铸铁。

实施例1：

定向凝固连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，方法步骤如下：

（1）将短碳纤维体积分数为1%的、各种朝向且均匀分布的短碳纤维增强铝基复合材料作为连续碳纤维增强铝基复合材料的基体材料，并将其线切割加工成为Φ3mm半圆柱状的物料坯棒；半圆柱状的物料坯棒直径为。

（2）将两个步骤（1）所得的物料坯棒中间夹入与轴向方向相同的连续碳纤维；连续碳纤维的体积分数占连续和非连续总的碳纤维增强金属基复合材料的95%，连续碳纤维单束间纤维间距为1mm。

（3）将步骤（2）所得的夹有碳纤维的物料棒在惰性气体保护或真空条件下通过定向凝固设备进行完全熔化或区域熔化。

（4）保温一段时间后，将物料棒以抽拉速度为5000μm/min，抽拉的位移距离为300mm，进行抽拉下移进入冷却液中，使其实现定向凝固。

凝固后的组织结构如图1所示，短碳纤维分布均匀，对裂纹有明显抑制。

实施例2：

定向凝固连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，方法步骤如下：

（1）将短碳纤维体积分数为65%的、各种朝向且均匀分布的短碳纤维增强铝基复合材料作为连续碳纤维增强铝基复合材料的基体材料，并将其线切割加工成为Φ30mm半圆柱状的物料坯棒；半圆柱状的物料坯棒直径为。

（2）将两个步骤（1）所得的物料坯棒中间夹入与轴向方向相同的连续碳纤维；连续碳纤维的体积分数占连续和非连续总的碳纤维增强金属基复合材料的50%，连续碳纤维单束间纤维间距为5mm。

（3）将步骤（2）所得的夹有碳纤维的物料棒在惰性气体保护或真空条件下通过定向凝固设备进行完全熔化或区域熔化。

（4）保温一段时间后，将物料棒以抽拉速度为2500μm/min，抽拉的位移距离为200mm，进行抽拉下移进入冷却液中，使其实现定向凝固。

凝固后的组织结构如图2所示，短碳纤维分布均匀，对裂纹有明显抑制。

实施例3：

定向凝固连续-非连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，方法步骤如下：

（1）将短碳纤维体积分数为95%的、各种朝向且均匀分布的短碳纤维增强铝基复合材料作为连续碳纤维增强铝基复合材料的基体材料，并将其线切割加工成为Φ50mm半圆柱状的物料坯棒；半圆柱状的物料坯棒直径为。

（2）将两个步骤（1）所得的物料坯棒中间夹入与轴向方向相同的连续碳纤维；连续碳纤维的体积分数占连续和非连续总的碳纤维增强金属基复合材料的1%，连续碳纤维单束间纤维间距为10mm。

（3）将步骤（2）所得的夹有碳纤维的物料棒在惰性气体保护或真空条件下通过定向凝固设备进行完全熔化或区域熔化。

（4）保温一段时间后，将物料棒以抽拉速度为1μm/min，抽拉的位移距离为5mm，进行抽拉下移进入冷却液中，使其实现定向凝固。

凝固后的组织结构如图3所示，短碳纤维分布均匀，对裂纹有明显抑制。