一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：步骤1、对碳纤维进行预处理；步骤2、将碳纤维束与细金属丝绑定，得到金属丝碳纤维复合体，利用金属丝碳纤维复合体编织三维架构增强体；步骤3、将编织好的三维纤维架构增强体分别浸润碳化硅颗粒溶浆和氟锆酸钾水溶液；步骤4、将上一步处理后的三维纤维架构增强体置于基材金属液中在超声振动下挤压成型，得到一种新型金属基复合材料。本发明利用碳纤维编织三维纤维构架，实现具备优异性能的由三维纤维架构增强体增强的新型金属基复合材料的净成型制造，拓展了金属基复合材料的类型与应用范围，在航空航天、军工和民用领域必将具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维增强领域，具体涉及一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料及其制备方法。

背景技术

纤维增强铝基复合材料具有优异的力学性能和某些物理性能，已在航天航空、汽车、机械电子等领域作为高强度耐高温材料，显示出巨大的应用潜力。近年来，复合材料研究者围绕如何有效地利用高性能纤维强化密度小、强韧性和抗腐蚀性能优异的铝及铝合金基体，以获得性能优异的轻质高强度复合材料进行了大量的研究工作。纤维增强铝基复合材料的增强纤维主要有碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等，其中高比强度、高比刚度、价格相对便宜的碳纤维更受人们青睐，碳纤维/铝复合材料普遍认为是一种较理想的轻质高强度复合材料。作为主要承载体的碳纤维，高温下仍保持很高的强度和弹性模量,从而赋予碳纤维/铝复合材料高比强度、高弹性模量、良好的耐磨性和导电性、优良的高温强度、优异的导热性和高温下尺寸稳定性等优点。碳纤维/铝复合材料已被广泛地应用于制造飞机构件、汽车发动机零件、滑动部件、计算机集成电路的封装材料以及电子设备的基板等。纵观国内外关于金属基复合材料的研究进程，从制备工艺尽量简单、制备成本尽量降低的角度出发，人们曾经更多关注的是颗粒增强复合材料，而且材料制备的相关工艺技术已发展的较为成熟。颗粒增强复合材料虽然制备成本可能较低，但是对复合材料的力学性能如比强度、比刚度等的提升却有限，这限制了这种复合材料的应用范围。为了大幅度提高金属基复合材料力学性能，选用高性能纤维作为增强相成为主要的技术发展方向。多年来，人们制备和研究纤维增强金属基复合材料时，大多以长、短独立纤维丝作为增强体。长纤维(又称连续纤维)以一定取向在基体中排列(这里称之为“一维纤维增强”)，短纤维则杂乱无取向分布。一维取向的连续纤维使复合材料具有各向异性，纵向拉伸强度、导电导热性能均很高，而横向较低；杂乱取向的短纤维增强，与颗粒增强有相近的效应，虽然具有各向同性，但对诸如拉伸、冲击及疲劳力学性能的提升空间有限。就某一方向需要高强度或需要高导电导热性能的构建而言，一维连续纤维增强金属基复合材料或许有很大优势。然而一维长纤维制造成本很高，各自独立的纤维细丝很难有均匀的排列分布，制备工艺很难控制，这限制了一维长纤维增强金属基复合材料的应用和发展。迄今的研究表明，无论是一维长纤维或杂乱短纤维加入金属基体中，都还没有完全发挥其本身“增强”的优势，纤维的高性能并没有充分移植到金属基复合材料中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种力学性能优异的三维编织碳纤维增强金属基复合材料的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1、对碳纤维进行预处理；

步骤2、将碳纤维束与细金属丝绑定，得到金属丝碳纤维复合体，利用金属丝碳纤维复合体编织三维架构增强体；本实施例中，细金属丝为细铝丝。

步骤3、将编织好的三维纤维架构增强体分别浸润碳化硅颗粒溶浆和氟锆酸钾水溶液；

步骤4、将上一步处理后的三维纤维架构增强体与基材金属液一起在超声振动下挤压成型。

进一步的，所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1、对碳纤维进行除胶、粗化、敏化和活化处理；

步骤1.2、对碳纤维进行气相沉积镀覆SiC处理，镀覆SiC后干燥。

进一步的，所述步骤2中，编织三维架构增强体的方法为，利用三维织机对金属丝碳纤维复合体进行编织，得到三维纤维架构增强体，三维纤维架构增强体形状与经纬间距尺寸可通过三维织机进行数控编程控制。

进一步的，所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1、将编织好的三维纤维架构增强体浸润碳化硅颗粒溶浆，浸润后干燥处理；

步骤3.2、将编织好的三维纤维架构增强体浸润氟锆酸钾水溶液，浸润后干燥处理。

进一步的，所述步骤4的具体步骤为：

步骤4.1、将成型模具预热至380-420℃，将三维纤维架构增强体预热至180-220℃；

步骤4.2、将三维纤维架构增强体放入成型模具，开启超声振动，振动频率9000-12000赫兹；

步骤4.3、保持超声振动，向成型模具内浇注基材金属液，开启挤压机，挤压压力30-40Mpa，将三维纤维架构增强体和基材金属液在超声振动下挤压成型，得到复合材料制件；

步骤4.4、根据期望复合材料的体积大小，待复合材料结晶凝固后，停止加压，冷却后取出制件。

进一步的，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维。

一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料，由三维架构增强体和基材金属液一起在超声振动下挤压成型得到，所述三维架构增强体为利用金属丝碳纤维复合体编织的三维架构增强体。

进一步的，所述金属丝碳纤维复合体由碳纤维束和材质与基材金属一致的金属丝联合绑定后得到。

本发明的有益效果为：本发明选用碳纤维作为增强体，将碳纤维当做“丝线”，经过织机编织，把碳纤维束从三维空间方向编织成三维立体架构增强体，经过适当处理后以一定方式加入到金属基材熔体中，施加压力使之凝固而成为一种新型的三维编织碳纤维增强金属基复合材料(3Dimension-Fiber Weave Reinforced Metal Matrix Composite，下文简称为3D-FW MMC)，本发明将碳纤维编织成三维架构，解决了单根纤维细丝的排列控制问题，又避免了材料的各向异性，同时碳纤维相互交织成立体架构，成为材料内部坚强的骨架，产生一种网络骨架式的综合协同增强效应，3D-FW MMC具备如下优点：(1)层间剪切强度和拉伸强度高；(2)耐高温，抗冲击性能好；(3)比刚度、比强度提高；(4)可获取任意结构形状的预成形；(5)容易获得大尺寸材料构件；(6)便于大规模机械化生产。通过本发明可编织适当的三维纤维构架，可实现具备优异性能的由三维纤维架构增强体增强的大尺寸、复杂结构、较低成本的金属基复合材料的净成型制造。3D-FW MMC拓宽了金属基复合材料的类型和应用范围，在航空航天、兵器工业和民用领域必将具有广阔的应用前景。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1、由于碳纤维并非单丝而是纤维束，必须保证每根单丝均得到润湿处理，同时保证复合材料中纤维束之单丝有适当的分散，因此需要对碳纤维进行预处理；

所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1、对碳纤维进行除胶、粗化、敏化和活化处理；

步骤1.2、对碳纤维进行气相沉积镀覆SiC处理，镀覆SiC后干燥。

步骤2、由于碳纤维很软，没有刚性，构建三维空间架构较困难，为此以细金属丝作为刚性辅助，采用三维织机织造三维纤维架构增强体。织造时，先用纤维束绑定细铝丝，再将二者一并作为“纱线”进行织造，架构形状和经纬间距尺寸可通过数控编程进行控制，从而织造出与增强部件形状相似的三维纤维架构增强体；

所述步骤2的具体步骤为：

将碳纤维束与铝丝绑定，得到金属丝碳纤维复合体，然后利用金属丝碳纤维复合体编织三维架构增强体；

所述步骤2中，编织三维架构增强体的方法为，利用三维织机对金属丝碳纤维复合体进行编织，得到三维纤维架构增强体，三维纤维架构增强体形状和经纬间距尺寸通过数控编程进行控制。

步骤3、将编织好的三维纤维架构增强体浸润碳化硅颗粒溶浆，以利于在压力作用下纤维丝的分散；再将三维纤维架构增强体浸润氟锆酸钾水溶液，以改善铝熔体对纤维的润湿性；

步骤4、将上一步处理后的三维纤维架构增强体与基材金属熔体一起在超声振动下挤压成型。

所述步骤4的具体步骤为：

步骤4.1、将成型模具预热至380-420℃，将三维纤维架构增强体预热至180-220℃；

步骤4.2、将三维纤维架构增强体放入成型模具，开启超声振动，振动频率9000-12000赫兹；

步骤4.3、保持超声振动，向成型模具内浇注基材金属液，开启挤压机，挤压压力30-40Mpa，将三维纤维架构增强体和基材金属液在超声振动下挤压成型，得到复合材料制件。

步骤4.4、根据期望复合材料的体积大小，待复合材料结晶凝固后，停止加压，冷却后取出制件。

一种三维编织碳纤维增强金属基复合材料，由三维架构增强体和基材金属液一起在超声振动下挤压成型得到，所述三维架构增强体为利用金属丝碳纤维复合体编织的三维架构增强体。

本实施例中，所述基材金属为压铸铝合金。

本实施例中，所述金属丝碳纤维复合体由碳纤维束和细铝丝联合绑定后得到。

本实施例中，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维。

以下对不同牌号的铝合金基材增强前后的力学性能进行测试，结果见表1。

表1：制备的3D-FW MMC的力学性能案例(铸态)

通过表1可知，通过本发明的方法制备的3D-FW MMC，较之于无增强体的基材，屈服强度提升50-80％，抗拉强度提升30-55％，弹性模量提升8-14％，而塑性和韧性几乎无变化。