一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料技术领域。本发明专利技术通过气相氧化法，在臭氧氛围内，制备表面粗化的碳纤维，气相氧化法使碳纤维的表面增加活性官能团，同时增加其表面粗糙度，本发明专利技术采用的气相介质为臭氧，用臭氧对碳纤维进行氧化，其工艺参数易于控制，氧化处理后的效果明显，由于臭氧具有很较短的半衰期，极其容易分解，分解后的氧原子会和碳纤维表面的不饱和碳原子发生化学反应，生成一些含氧基团，可以有效提高碳纤维的表面粗糙度和表面活性，从而可以提高铝熔体对碳纤维的润湿能力，改善两者之间的渗浸度，减少脆性碳化物碳化铝的生成，提高碳纤维增强铝基复合材料的致密性和力学性能。

A preparation method of carbon fiber reinforced aluminum matrix composite

The invention relates to a preparation method of carbon fiber reinforced aluminum matrix composite, belonging to the technical field of aluminum matrix composite. The invention adopts the gas-phase oxidation method to prepare the carbon fiber with rough surface in the ozone atmosphere. The gas-phase oxidation method makes the surface of the carbon fiber increase the active functional group and the surface roughness at the same time. The gas-phase medium used in the invention is ozone, which is used to oxidize the carbon fiber. The process parameters are easy to control, and the effect of the oxidation treatment is obvious. Because the ozone is very short The half-life of carbon fiber is very easy to decompose. The decomposed oxygen atom will react with the unsaturated carbon atom on the surface of carbon fiber to form some oxygen-containing groups, which can effectively improve the surface roughness and surface activity of carbon fiber, so as to improve the wettability of aluminum melt to carbon fiber, improve the infiltration between the two, reduce the generation of brittle carbide aluminum carbide, and improve the wettability of carbon fiber The compactness and mechanical properties of carbon fiber reinforced aluminum matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料

技术介绍
碳纤维增强铝基复合材料是一种轻质、高强的结构材料。当采用编织状碳纤维作为增强相的添加形式时，材料能够得到更具针对性的二维强化效果，使之在飞机、汽车蒙皮以及压力容器等领域具有广阔的应用空间。然而，编织布内部的碳纤维由于彼此之间的严格约束，其相对位置无法发生自由移动，呈现出密集的排列方式。在碳纤维化学镀镍过程中，该分布方式制约了碳纤维与镀液之间的充分接触，降低了镀液的稳定性，大大提高了镀覆效果对工艺条件的要求。在复合材料的制备过程中，为使熔体在碳纤维分布不被破坏的情况下对其实现充分渗浸，复合过程往往需要在密闭模具内通过施加压力的方式进行。其生产效率低，制备成本髙，且复合材料样品严格受到设备规模以及模具尺寸的限制。碳纤维增强铝基复合材料按照增强相形式的不同，可以分为非连续短碳纤维增强铝基复合材料、连续单向碳纤维增强铝基复合材料以及连续编织状碳纤维增强铝基复合材料三种主要类型。非连续短碳纤维增强铝基复合材料内部的纤维尺寸一般在微米到毫米级别，这使得其在制备过程中具有更为优异的可操控性：在化学镀覆过程中可以通过超声搅拌、机械搅拌等方式实现碳纤维与镀液的充分接触，提高纤维的表面金属化效果；在铸造复合过程中，可以采用机械搅拌、电磁搅拌、以及离心搅拌等多种工艺使碳纤维在熔体中达到均匀分散；在固态复合过程中，则可以通过球磨混粉+粉末冶金的制备技术实现高比例增强相的添加。该类复合材料还具有各相同性，性能均一，制备成本低廉的特点。因此，非连续短纤维成为碳纤维增强铝基复合材料中应用最为广泛的增强相形式。但由于纤维尺寸较小，复合材料中不可避免的引入大量的纤维断口与基体的结合界面，增加了材料对变形的敏感程度，降低了碳纤维的强化效率。连续单向碳纤维增强铝基复合材料内部的纤维呈单向、连续、直线分布。由于碳纤维仅在其长度方向上具有极高的强度，因此，该分布方式能够最为充分的发挥纤维自身的取向强化优势，使强化效率达到最高。然而，为克服碳纤维柔软、纤细的特点，保证其在基体中的单向直线分布，在纤维表面处理以及复合材料制备的过程中不但不能够对其施加搅拌，往往还需要采用制备预制件的方法将碳纤维的分布进行预先固定，这使得单向连续碳纤维增强铝基复合材料的制备难度明显高于短碳纤维增强铝基复合材料。同时，该类复合材料的应用范围也更加具有针对性，仅适合服役于主要在单一方向上受力的环境，如管材、棒材、线材等。连续编织状碳纤维增强相是在连续单向碳纤维的基础上，针对具体的服役环境，对碳纤维进行编织处理，该方式能够更加充分的发挥复合材料可设计性的特点，扩展碳纤维复合材料的服役范围。与连续单向碳纤维相同，连续编织状碳纤维在其表面处理以及复合成型的过程中不能够进行剧烈的搅拌以及大的塑性变形处理。此外，由于编织状增强相内部的纤维彼此之间具有明显的约束，也无法通过制备预制件的方式对碳纤维进行分散，其制备难度较连续单向碳纤维增强铝基复合材料更高。以上三种不同形式的碳纤维，其对铝基体的强化机制基本相同，主要包括以下几种：复合强化、界面强化、析出强化、剥落保护、热错配强化。碳纤维与铝熔体之间的润湿性极差，即使在有镀层存在的情况下，常用的铝合金制备技术也很难将碳纤维均匀、牢固的分散到基体中达到良好结合。因此，研究者通常需要在复合过程中施加压力、搅拌等外界条件来促使渗浸过程的发生。常见的复合工艺可以分为固态复合法、液态复合法以及其他复合方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：针对现有材料中铝熔体对碳纤维的润湿能力极差的问题，提供了一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：（1）将表面镀镍铜的碳纤维、碳化硅加入铝粉中，常温下以300～400r/min转速搅拌混合2～4h，得混合料；（2）将混合料置于热压烧结石墨磨具中，在压力200～240MPa的条件下冷压15～20min，保压5～10min，得成型的混合料；（3）将成型的混合料置于真空热压碳管炉中，在温度560～600℃、压力24～28MPa的条件下烧结1～3h，随炉冷却至室温，开炉脱模，得碳纤维增强铝基复合材料。所述的表面镀镍铜的碳纤维、铝粉、碳化硅的重量份为10～20份表面镀镍铜的碳纤维、90～100份铝粉、3～5份碳化硅。步骤（2）所述的热压烧结石墨磨具规格为50mm×50mm×25mm。步骤（1）所述的表面镀镍铜的碳纤维的具体制备步骤为：（1）将氯化镍、硼酸、十二烷基苯磺酸钠加入1/2的去离子水中，常温下以160～180r/min转速搅拌10～20min，得氯化镍电镀液；（2）将硫酸铜、硫酸、硝酸钾加入剩余1/2的去离子水中，常温下以200～240r/min转速搅拌10～20min，得硫酸铜镀液；（3）将表面粗化的碳纤维置于氯化镍电镀液中，以200～240r/min转速搅拌电镀6～8min，取出，去离子水洗涤3～5次，常温干燥，得镀镍的碳纤维；（4）将镀镍的碳纤维置于硫酸铜镀液中，180～200r/min转速搅拌电镀5～10min，取出，去离子水洗涤3～5次，常温干燥，得表面镀镍铜的碳纤维。所述的表面粗化的碳纤维，氯化镍、硼酸、十二烷基苯磺酸钠、硫酸铜、硫酸、硝酸钾、去离子水的重量份为30～40份表面粗化的碳纤维，15～20份氯化镍、3～4份硼酸、0.1～0.3份十二烷基苯磺酸钠、15～20份硫酸铜、6～8份质量浓度10%的硫酸、1～3份硝酸钾、200～240份去离子水。步骤（3）所述的电镀条件为电流密度0.4～0.6A/dm2、温度40～60℃。步骤（4）所述的电镀条件为电压2～4V、温度40～60℃。步骤（3）所述的表面粗化的碳纤维的具体制备步骤为：（1）将去胶后的碳纤维加入硝酸中，在80～90℃的水浴条件下以200～240r/min转速搅拌煮洗30～40min，取出，得煮洗后的碳纤维；（2）将煮洗后的碳纤维用去离子水洗涤3～5次，再置于恒温鼓风干燥箱中，在65～70℃的条件下干燥40～60min，得酸处理的碳纤维；（3）将酸处理的碳纤维置于箱式电阻炉中，以30～40mL/min的速率通入臭氧，在400～500℃的条件下煅烧2～4h，冷却至室温，得表面粗化的碳纤维。所述的去胶后的碳纤维、硝酸的重量份为30～40份去胶后的碳纤维、120～160份质量浓度30%的硝酸。步骤（1）所述的去胶后的碳纤维的具体制备步骤为：（1）将碳纤维置于箱式电阻炉中，在380～420℃的条件下煅烧25～30min，得烧结后的碳纤维；（2）将烧结后的碳纤维用去离子水洗涤3～5次，再置于恒温鼓风干燥箱中在65～70℃的条件下干燥1～2h，得去胶后的碳纤维。本专利技术与其他方法相比，有益技术效果是：（1）本专利技术通过气相氧化法，在臭氧氛围内，制备表面粗化的碳纤维，气相氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：/n（1）将表面镀镍铜的碳纤维、碳化硅加入铝粉中，常温下以300～400r/min转速搅拌混合2～4h，得混合料；/n（2）将混合料置于热压烧结石墨磨具中，在压力200～240MPa的条件下冷压15～20min，保压5～10min，得成型的混合料；/n（3）将成型的混合料置于真空热压碳管炉中，在温度560～600℃、压力24～28MPa的条件下烧结1～3h，随炉冷却至室温，开炉脱模，得碳纤维增强铝基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：
（1）将表面镀镍铜的碳纤维、碳化硅加入铝粉中，常温下以300～400r/min转速搅拌混合2～4h，得混合料；
（2）将混合料置于热压烧结石墨磨具中，在压力200～240MPa的条件下冷压15～20min，保压5～10min，得成型的混合料；
（3）将成型的混合料置于真空热压碳管炉中，在温度560～600℃、压力24～28MPa的条件下烧结1～3h，随炉冷却至室温，开炉脱模，得碳纤维增强铝基复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的表面镀镍铜的碳纤维、铝粉、碳化硅的重量份为10～20份表面镀镍铜的碳纤维、90～100份铝粉、3～5份碳化硅。


3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的热压烧结石墨磨具规格为50mm×50mm×25mm。


4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的表面镀镍铜的碳纤维的具体制备步骤为：
（1）将氯化镍、硼酸、十二烷基苯磺酸钠加入1/2的去离子水中，常温下以160～180r/min转速搅拌10～20min，得氯化镍电镀液；
（2）将硫酸铜、硫酸、硝酸钾加入剩余1/2的去离子水中，常温下以200～240r/min转速搅拌10～20min，得硫酸铜镀液；
（3）将表面粗化的碳纤维置于氯化镍电镀液中，以200～240r/min转速搅拌电镀6～8min，取出，去离子水洗涤3～5次，常温干燥，得镀镍的碳纤维；
（4）将镀镍的碳纤维置于硫酸铜镀液中，180～200r/min转速搅拌电镀5～10min，取出，去离子水洗涤3～5次，常温干燥，得表面镀镍铜的碳纤维。


5.根据权利要求4所述的一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的表面粗化的碳纤维，氯化镍、硼酸、十...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹运福，
申请(专利权)人：曹运福，
类型：发明
国别省市：福建;35