顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备及方法

摘要

本发明涉及一种顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备及方法，炉体的上端面固定有支架，支架上固定有旋转电机，旋转电机连接有丝杠，支架竖直滑动连接有滑动连接杆，丝杠与滑动连接杆螺纹配合，滑动连接杆的一侧固定连接有固定环并连接有变幅杆，变幅杆的下端固定有超声振头并且穿过了上顶板和炉体，超声振头的下端与振动板的上端接触，导杆与固定环固定在一起，导杆穿过了炉体的上端并与炉体滑动配合，导杆的下端固定连接在振动板上，振动板下侧连接有碳纤维夹具和金属液槽，炉体内设有坩埚和感应线圈一级冷却器管。本发明的设备和方法制得的碳纤维增强复合材料铸造缺陷少。

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，涉及一种利用顺序凝固的冷却方式制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备及方法。

背景技术

碳纤维增强铝基复合材料由于质量轻、高强度以及高导热性等优异的性能，在航空航天，汽车制造，体育休闲等领域都得到了一定的应用。其中，连续碳纤维增强铝基复合材料无论作为线材亦或板材，可最大限度的发挥碳纤维轴向性能优势，因此具有更广阔的发展前景。目前，国内外众多学者通过对工艺方法及设备的研究，利用液态轧制、真空浸渗和超声振动等工艺实现了碳纤维增强铝基复合材料的制备。然而在碳纤维增强铝基复合材料制备过程中，由于碳纤维与铝合金基体间热膨胀系数相差较大，并且碳纤维导热系数与基体相差也较大，这就导致碳纤维增强铝基复合材料的凝固是一个复杂的凝固过程，在其冷却过程中复合材料内部易产生大量的缩孔缩松等铸造缺陷。这将严重影响复合材料的成型性，使其无论作为结构材料还是功能材料的性能指标都显著降低。

通过研究发现，碳纤维增强铝基复合材料在冷却过程中采用顺序凝固的冷却方式，可以使复合材料满足沿单一方向发生冷却凝固，形成了从试样前部至后部的温度梯度，使复合材料的前部凝固收缩时可以得到后部金属液的液态补缩，有效减少了缩孔缩松的产生，从而制备出组织均匀，增强纤维与基体结合良好的碳纤维增强铝基复合材料。

发明内容

发明目的

本发明要解决的技术问题是克服制备连续碳纤维增强铝基复合材料的冷却过程中材料内部易产生铸造缺陷的问题，提供一种利用顺序凝固改善碳纤维增强复合材料铸造缺陷的设备与方法，从而实现高性能碳纤维增强铝基复合材料的制备，改善碳纤维增强复合材料铸造缺陷。

技术方案

顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备，包括炉体，炉体的一侧设有开启门，其特征在于：炉体的上端面固定有支架，支架上固定有旋转电机，旋转电机的旋转轴竖直向下设置并固定连接有丝杠，支架竖直滑动连接有滑动连接杆，丝杠穿过了滑动连接杆并与滑动连接杆螺纹配合，滑动连接杆的一侧固定连接有固定环，固定环竖直连接有变幅杆，变幅杆的上端固定有超声换能器，变幅杆穿过了炉体的上端与炉体滑动配合，变幅杆的下端固定有超声振头并且穿过了上顶板，超声振头的下端与振动板的上端接触，导杆与固定环固定在一起，导杆穿过了炉体的上端并与炉体滑动配合，导杆的下端固定连接在振动板上，炉体的上端的内侧竖直设有多个滑动导轨，滑动导轨穿过了上顶板并且与上顶板滑动连接，上顶板的下侧通过多个连接杆固定连接有下底板，振动板位于下底板和上顶板之间，上顶板竖直固定连接有多个金属液槽固定杆，上顶板穿过了下底板并且下端连接有金属液槽，振动板竖直固定连接有多个碳纤维夹具固定杆，碳纤维夹具固定杆穿过了下底板并且与下底板滑动连接，碳纤维夹具固定杆上套有第一弹簧，第一弹簧位于下底板和振动板之间并且受到了下底板和振动板的挤压力，碳纤维夹具固定杆的下端固定连接有碳纤维夹具，碳纤维夹具位于金属液槽内，炉体内侧的底部设有隔热底盘，隔热底盘的上端设有坩埚和感应线圈，感应线圈位于坩埚的外周，炉体的侧壁插入有冷却气管，冷却气管的出气口位于感应线圈的上侧，并且位于金属液槽的一侧，炉体上还设有排气孔，排气孔设有可插拔的塞子。

进一步的，所述隔热底盘为耐火砖。

进一步的，所述固定环和变幅杆之间设有减震套，减震套包括有减震主体，减震主体的上端设有直径大于减震主体的上端头，减震主体的下端设有直径大于减震主体的下端头，贯穿减震主体、上端头和下端头设置有安装通孔，下端头的下端面到上端面的直径逐渐增大。

进一步的，上顶板的下端面设置有滑轮机构，滑轮机构位于滑动导轨的一侧，滑轮机构包括滑轮外壳和滑轮，滑轮位于滑轮外壳的内侧，滑轮外壳位于滑轮的两侧设有滑槽，滑轮的轮轴与滑轮固定在一起，轮轴的两端穿过了两侧的滑槽，位于滑槽内并且位于轮轴的两端设有滑块，每个滑块远离对应轮轴的一侧设置有第二弹簧，第二弹簧的一端连接在滑块上，第二弹簧的另一端连接在滑槽的内壁上，滑轮与滑动导轨紧密接触。

一种使用如所述的设备顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

①将具有一定径向预紧力的碳纤维丝束固定于碳纤维夹具上，得到预制体；

②在真空条件下通过升降装置将纤维预制体和金属液槽放入感应线圈加热下的坩埚内的熔融金属液中；

③在超声换能器、变幅杆和超声振头的作用下，在振动板的上方施加超声波振动，进而传导给碳纤维预制体，经过超声的振动，金属液浸渗到碳纤维的间隙中，制得碳纤维金属基复合材料；

④将碳纤维金属基复合材料移出金属液，通过冷却器管的冷空气对碳纤维金属基复合材料实施降温冷却。

进一步的，所述步骤①中全部碳纤维丝束是平行设置的，冷却器管位于碳纤维轴向一侧端部。

进一步的，所述步骤①中碳纤维在固定到碳纤维夹具之前，先用测力计给碳纤维施加1-50N的径向预紧力，而后将全部平行设置的碳纤维以每束1-30mm的间距固定于夹具上。

进一步的，所述步骤③中超声振头以1-300N的力下压振动板，超声振头振动频率为20KHz，振幅7μm-95μm，振动时间0.5-15min。

进一步的，所述炉体的内部位于冷却器管的对侧设有弧形挡板，弧形挡板的内弧朝向冷却器管

进一步的，所述冷却器管吹出的冷却气体为压缩空气。

优点及效果

本发明的设备和方法制得的碳纤维增强复合材料铸造缺陷少。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备局部剖开的结构示意示意图角度1；

图2为顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备局部剖开的结构示意示意图角度2；

图3为顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备局部剖开的结构示意示意图角度3；

图4为顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备局部剖开的结构示意示意图角度4；

图5为顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备局部剖开的结构示意示意图角度5；

图6为金属液槽和碳纤维夹具的位置关系示意图；

图7为减震套的结构剖视图；

图8为弧形挡板和冷却气管的相对位置关系示意图；

图9为滑轮机构的局部结构放大图；

图10为连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织图。

附图标记说明：1.旋转电机、2.超声换能器、3.减震套、3-1.减震主体、3-2.上端头、3-3.下端头、3-4.安装通孔、4.固定环、5.变幅杆、6.炉体、7.滑动导轨、8.超声振头、9.滑轮机构、9-1.滑轮外壳、9-2.滑轮、9-3.轮轴、9-4.滑块、9-5.第二弹簧、9-6.滑槽、10.冷却气管、11.感应线圈、12.坩埚、13.金属液槽、14.下底板、15.振动板、16.上顶板、17.丝杠、18.导杆、19.第一弹簧、20.碳纤维夹具固定杆、21.碳纤维、22.隔热底盘、23.支架、24.滑动连接杆、25.连接杆、26.金属液槽固定杆、27.碳纤维夹具、28.排气孔、29.弧形挡板。

具体实施方式

如图1-图9所示，顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料设备，包括炉体6，炉体6的一侧设有开启门，其特征在于：炉体6的上端面固定有支架23，支架23上固定有旋转电机1，旋转电机1的旋转轴竖直向下设置并固定连接有丝杠17，支架23竖直滑动连接有滑动连接杆24，丝杠17穿过了滑动连接杆24并与滑动连接杆24螺纹配合，滑动连接杆24的一侧固定连接有固定环4，固定环4竖直连接有变幅杆5，变幅杆5的上端固定有超声换能器2，变幅杆5穿过了炉体6的上端与炉体6滑动配合，变幅杆5和炉体6之间设有密封圈，变幅杆5的下端固定有超声振头8并且穿过了上顶板16，超声振头8的下端与振动板8的上端接触，导杆18与固定环4固定在一起，导杆18穿过了炉体6的上端并与炉体6滑动配合，导杆18和炉体6之间设有密封圈，导杆18的下端固定连接在振动板15上，炉体6的上端的内侧竖直设有多个滑动导轨7，滑动导轨7穿过了上顶板16，上顶板16的下端面设置有滑轮机构9，滑轮机构9位于滑动导轨7的一侧，滑轮机构9包括滑轮外壳9-1和滑轮9-2，滑轮9-2位于滑轮外壳9-1的内侧，滑轮外壳9-1位于滑轮9-2的两侧设有滑槽9-6，滑轮9-2的轮轴9-3与滑轮固定在一起，轮轴9-3的两端穿过了两侧的滑槽9-6，位于滑槽9-6内并且位于轮轴9-3的两端设有滑块9-4，每个滑块9-4远离对应轮轴9-3的一侧设置有第二弹簧9-5，第二弹簧9-5的一端连接在滑块9-4上，第二弹簧9-5的另一端连接在滑槽9-6的内壁上，滑轮9-2与滑动导轨7紧密接触。上顶板16的下侧通过多个连接杆25固定连接有下底板14，振动板15位于下底板14和上顶板16之间，上顶板16竖直固定连接有多个金属液槽固定杆26，上顶板16穿过了下底板14并且下端连接有金属液槽13，振动板15竖直固定连接有多个碳纤维夹具固定杆20，碳纤维夹具固定杆20穿过了下底板14并且与下底板14滑动连接，碳纤维夹具固定杆20上套有第一弹簧19，第一弹簧19位于下底板14和振动板15之间并且受到了下底板14和振动板15的挤压力，碳纤维夹具固定杆20的下端固定连接有碳纤维夹具27，碳纤维夹具27位于金属液槽13内，炉体6内侧的底部设有隔热底盘22，隔热底盘22为耐火砖，隔热底盘22的上端设有坩埚12和感应线圈11，感应线圈11位于坩埚12的外周，炉体6的侧壁插入有冷却气管10，冷却气管10的出气口位于感应线圈11的上侧，并且位于金属液槽13的一侧，炉体6上还设有排气孔28，排气孔28设有可插拔的塞子。

固定环4和变幅杆5之间设有减震套3，减震套3包括有减震主体3-1，减震主体3-1的上端设有直径大于减震主体3-1的上端头3-2，减震主体3-1的下端设有直径大于减震主体3-1的下端头3-3，贯穿减震主体3-1、上端头3-2和下端头3-3设置有安装通孔3-4，下端头3-3的下端面到上端面的直径逐渐增大，这样的结构容易将固定环4套进简振涛3，减震套优选橡胶或泡棉等多孔吸振动的材料。

一种使用上述设备顺序凝固制备连续碳纤维增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

①碳纤维21在固定到碳纤维夹具27之前，先用测力计给碳纤维21施加1-50N的径向预紧力，而后将全部平行设置的碳纤维以每束1-30mm的间距固定于夹具上，全部碳纤维21丝束是平行设置的，冷却器管10位于碳纤维21轴向一侧端部，得到预制体；

②在真空条件下通过升降装置将纤维预制体和金属液槽13放入感应线圈11加热下的坩埚12内的熔融金属液中；

③超声振头8以1-300N的力下压振动板15在超声换能器2、变幅杆5和超声振头8的作用下，在振动板15的上方施加超声波振动，进而传导给碳纤维预制体，经过超声的振动，金属液浸渗到碳纤维的间隙中，制得碳纤维金属基复合材料；超声振头8振动频率为20KHz，振幅7μm-95μm，振动时间0.5-15min。

④将碳纤维金属基复合材料移出金属液，通过冷却器管10的冷空气对碳纤维金属基复合材料实施降温冷却，冷却器管10吹出的冷却气体为压缩空气。优选的炉体6的内部位于冷却器管10的对侧设有弧形挡板29，弧形挡板29的内弧朝向冷却器管10，有利于气体在炉体6内部的循环，促进冷却。

如图10所示，为连续碳纤维增强铝基复合材料局部组织，可以观察到碳纤维在基体中分布均匀，没有出现团聚现象，纤维与纤维间间隙较为均匀，由于顺序凝固方式的改进，图中没有观察到缺陷的存在。其抗拉强度相比于基体合金提高194％。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。