一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法技术

本发明专利技术属于铝基复合材料技术领域，涉及一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，步骤如下：将短碳纤维在液体分散剂中进行初步预分散取出并干燥；将干燥后的短纤维在分散盒中利用气体进行预分散；将预分散后的碳纤维加入到熔融铝液中施加机械搅拌；将短碳纤维铝基复合材料移出铝液并冷却到室温。本发明专利技术的方法使得碳纤维分散程度高，纤维取向多向，简单、高效。

A Pre-Dispersion Stirring Method for Preparing Short Carbon Fiber Aluminum Matrix Composites

The invention belongs to the technical field of aluminium matrix composites, and relates to a method for preparing short carbon fiber aluminium matrix composites by pre-dispersing treatment and stirring. The steps are as follows: pre-dispersing short carbon fibers in liquid dispersant and drying; pre-dispersing dry short fibers in dispersion box by gas; adding pre-dispersed carbon fibers to the applicator in molten aluminium solution. Mechanical stirring; remove short carbon fibre aluminum matrix composites from liquid aluminium and cool them to room temperature. The method of the invention makes the carbon fibers have high dispersion degree, multi-direction orientation, simple and high efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法
本专利技术属于铝基复合材料
，涉及一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法。
技术介绍
短碳纤维增强铝基复合材料由于具有高比强度、高比刚度、高抗拉强度等优异性能，在汽车制造以及航天航空行业受到更多关注。然而目前诸多制备短碳纤维铝基复合材料的方法都是直接将制备好的碳纤维直接加入到金属液中，如果纤维在加入之前就发生缠绕团聚，在之后的搅拌过程中很难将其打散，并且在制备短碳纤维过程中，大多数是将长纤维束剪短制备而成的，而实验常用的碳纤维束一束往往由几千甚至上万根碳纤维组成，所以制备出的短碳纤维呈现出一个单一的方向，这对制备各向同性的短碳纤维铝基复合材料是不利的，造成复合材料中存在碳纤维四周分布多，中间分布少的不均匀现象，特别是微观分布不均发生团聚，团聚纤维之间的间隙如得不到铝液的补充就形成空隙，进而影响复合材料的组织性能。短碳纤维增强铝基复合材料的制备方法主要集中在粉末冶金法、压力浸渗法和挤压铸造法。搅拌铸造法由于其工艺简单、成本低廉，越来越受到重视。利用机械搅拌法制备的短碳纤维增强铝基复合材料的力学性能得到了提高。搅拌法操作简单、生产效率高、制造成本低廉。所制成的复合材料铸锭经重熔后，可精密铸造、砂型铸造成各种复杂形状的零件，也可挤压成各种型材、管材、棒材以及轧制成板材，锻造成零件。它是目前最成熟、最具竞争力、也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要方法。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术要解决的技术问题是克服现在纤维加入前出现纤维小团聚，分散程度不高，纤维取向单一的不足，提供一种简单、高效、可使纤维分散均匀的碳纤维铝基复合材料的制备方法。技术方案一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤如下：（1）将短碳纤维在液体分散剂中进行初步预分散取出并干燥；（2）将干燥后的短纤维在分散盒中利用气体进行预分散；（3）将预分散后的碳纤维加入到熔融铝液中施加机械搅拌；（4）将短碳纤维铝基复合材料移出铝液并冷却到室温。所述液体分散剂为蒸馏水、酒精、甘油或甘油与酒精混合液体，纤维与液体分散剂的比例为0.5：9.5~5：5，当液体分散剂为甘油与酒精混合液体时，甘油与酒精配比为1：9~5：5。所述步骤（1）中初步预分散的分散方式为机械超声耦合搅拌，机械搅拌转速为50~1000r/min，超声频率为5KHz-50KHz，搅拌桨的形状为锚式、浆式、框式或螺旋式，搅拌时间为5s~300s。所述步骤（1）中的短碳纤维的长径比为290~1500。所述步骤（2）中分散盒包括箱体、进纤维装置、过滤网和纤维收集屉，箱体为长方体的结构，箱体的上端面与箱体外侧连通并固定有分散筒，分散筒侧壁中下部位为密布出风小孔，进纤维装置位于长方体箱体的四个侧壁，四个侧壁的进纤维装置等高，相对的进纤维装置的出风口不相对，箱体内水平固定有过滤网，过滤网将箱体分隔为上和下两层，箱体的内部下层固定有一个振动器，振动器与箱体连接，过滤网下侧设有纤维收集屉，纤维收集屉通过滑道连接在箱体上，纤维收集屉能够从箱体的一侧抽出，箱体的内部上层的侧壁固定有进纤维装置，进纤维装置的进风口通过进纤维风道连接箱体外侧，进纤维装置为进风口直径小、出风口直径大的似漏斗状，进纤维装置的出风口安装有滤网，滤网为密布圆形孔的网，圆形孔为入风侧直径小于出风侧直径的似漏斗状的孔。所述步骤（2）中利用气体进行预分散的过程为：从进纤维装置的进风口处通入气流，将进纤维装置内腔中的碳纤维从滤网中吹入到箱体内；通入气流为10ml/min-500ml/min，滤网孔径为0.1mm-5mm；进风口与滤网直径比为1：20-20：1，在短碳纤维进入箱体后，在落到过滤网上，如果中间易发生团聚，则启动分散筒，分散筒吹出的气流会对短碳纤维进行分散，分散筒的出风小孔孔径为0.01mm-2mm，气流大小为0.1ml/min-50ml/min；分散筒直径为10mm-80mm；分散筒高度为50mm-250mm；纤维落在过滤网上，会将已经发生小团聚的纤维过滤掉，过滤网通过振动器的振动，使得滤过的纤维更加松散，过滤网孔径为0.5mm-15mm,振动频率为10Hz-80Hz；经过过滤网过滤后的纤维落入纤维收集屉中，抽拉出纤维收集屉，即可取出分散好的碳纤维。所述步骤（3）中，碳纤维按体积分数0.5%~50%加入，纤维的加入方式为在惰性气体保护下将纤维加入铝液中，加入纤维后铝液保温时长为10s~30min；搅拌桨的形状为锚式、浆式、框式或螺旋式，搅拌桨转速为200~2000r/min，搅拌时间为5~20min，搅拌温度为520℃至铝合金液相线以上300℃。优点及效果1.本专利技术采用液体加气体协同预分散处理，液体预分散处理增加了纤维的分散程度，二次气体分散过滤掉已团聚的碳纤维，极大的增加了短碳纤维的分散程度，提高了短碳纤维在铝基复合材料的分散性。2.本专利技术采用预分散机械搅拌进行熔炼，可以使得加入金属液之前的短碳纤维保持一个良好的分散性，从而使得碳纤维在在之后的熔炼过程中在熔体内分布均匀，呈现各向异性的特征，铝液可以浸渗到纤维与纤维的间隙，由于未做预分散处理或预分散只用液体分散的碳纤维在加入金属液前会出现小的缠绕团聚，在熔炼过程中很难将这些缠绕的纤维打散实现一个均匀分布，特别是微观分布不均发生团聚，团聚纤维之间的间隙如得不到铝液的补充就形成空隙，反而作为缺陷降低复合材料组织性能，因而本专利技术使用预分散处理制备的短碳纤维铝基复合材料相比于常规未做预处理制备的短碳纤维铝基复合材料而言，组织性能显著改善。附图说明图1为分散盒结构图；图2为进纤维装置；图3为分散和振动装置；图4为进纤维装置平面示意图；图5为圆形孔滤网；图6为圆形孔的结构和空气流动示意图；图7为在扫描电镜下利用预分散处理机械搅拌制备的体积分数为0.5%的短碳纤维铝基复合材料局部组织图片；图8为在扫描电镜下利用预分散处理机械搅拌制备的体积分数为25%的短碳纤维铝基复合材料局部组织图片；图9为在扫描电镜下利用预分散处理机械搅拌制备的体积分数为50%的短碳纤维铝基复合材料局部组织图片。附图标记说明：1.进纤维装置、2.分散筒、3.过滤网、4.纤维收集屉、5.振动器、6.箱体、7.进风口、8.滤网、9.进纤维风道。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明：如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，步骤如下：（1）将短碳纤维在液体分散剂中进行初步预分散取出并干燥；液体分散剂为蒸馏水、酒精、甘油或甘油与酒精混合液体，纤维与液体分散剂的比例为0.5：9.5~5：5，当液体分散剂为甘油与酒精混合液体时，甘油与酒精配比为1：9~5：5；初步预分散的分散方式为机械超声耦合搅拌，机械搅拌转速为50~1000r/min，超声频率为5KHz-50KHz，搅拌桨的形状为锚式、浆式、框式或螺旋式，搅拌时间为5s~300s；短碳纤维的长径比为290~1500。（2）将干燥后的短纤维在分散盒中利用气体进行预分散；分散盒包括箱体6、进纤维装置1、过滤网3和纤维收集屉4，箱体6为长方体的结构，箱体6的上端面与箱体6外侧连通并固定有分散筒2，分散筒2侧壁中下部位为密布出风小孔，进纤维装置1位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤如下：（1）将短碳纤维在液体分散剂中进行初步预分散取出并干燥；（2）将干燥后的短纤维在分散盒中利用气体进行预分散；（3）将预分散后的碳纤维加入到熔融铝液中施加机械搅拌；（4）将短碳纤维铝基复合材料移出铝液并冷却到室温。

【技术特征摘要】
1.一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤如下：（1）将短碳纤维在液体分散剂中进行初步预分散取出并干燥；（2）将干燥后的短纤维在分散盒中利用气体进行预分散；（3）将预分散后的碳纤维加入到熔融铝液中施加机械搅拌；（4）将短碳纤维铝基复合材料移出铝液并冷却到室温。2.根据权利要求1所述的预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：所述液体分散剂为蒸馏水、酒精、甘油或甘油与酒精混合液体，纤维与液体分散剂的比例为0.5：9.5~5：5，当液体分散剂为甘油与酒精混合液体时，甘油与酒精配比为1：9~5：5。3.根据权利要求1所述的预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（1）中初步预分散的分散方式为机械超声耦合搅拌，机械搅拌转速为50~1000r/min，超声频率为5KHz-50KHz，搅拌桨的形状为锚式、浆式、框式或螺旋式，搅拌时间为5s~300s。4.根据权利要求1所述的预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的短碳纤维的长径比为290~1500。5.根据权利要求1所述的预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（2）中分散盒包括箱体、进纤维装置、过滤网和纤维收集屉，箱体为长方体的结构，箱体的上端面与箱体外侧连通并固定有分散筒，分散筒侧壁中下部位为密布出风小孔，进纤维装置位于长方体箱体的四个侧壁，四个侧壁的进纤维装置等高，相对的进纤维装置的出风口不相对，箱体内水平固定有过滤网，过滤网将箱体分隔为上和下两层，箱体的内部下层固定有一个振动器，振动器与箱体连接，过滤网下侧设有纤维收集屉，纤维收集屉通过滑道连接在箱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲迎东，周启文，李广龙，刘希仕，王一，王光磊，李荣德，尤俊华，苏睿明，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21