一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料及制备装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及碳纤维复合增强材料技术领域，尤其是一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念，通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到金属基体中，使碳纤维布的波纹形的起伏方向与塑性轧制方向一致；在后续的塑性轧制变形过程中，所述波纹形碳纤维布耦合铝合金基体协同延展变形，实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配。本发明专利技术还涉及用于将碳纤维布以波纹型植入到金属基体中的专用设备以及制备可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的方法。本发明专利技术将内层的碳纤维布以波纹形态存在与金属基体中，以便在后续的热塑性轧制过程中，该波纹形结构的碳纤维能够耦合铝合金基体实现协同延展变形，从而克服碳纤维不具有延展性所带来的弊端。

A kind of carbon fiber reinforced metal matrix composite with synergistic ductility and its preparation device and method

【技术实现步骤摘要】
一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料及制备装置和方法
本专利技术属于特殊结构复合材料制备
，具体涉及一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料及其制备装置和制备方法。
技术介绍
铝合金是近年来发展最为迅速的一种轻量化结构材料，因其低密度、高弹性模量、高比强度、高比刚度及耐腐蚀等诸多优异性能，已经成为航空航天等对重量要求苛刻的高
中不可或缺的结构材料。随着航空航天领域的发展，高水平或超高水平的航空航天活动日益频繁，克服极端服役条件的需求愈发强烈，导致飞行器和航天器对轻质铝合金构件的承载能力和抗损伤容限提出了更高的要求。碳纤维具有高比模量、高断裂强度、耐高温和抗疲劳等优异性能，将其作为增强相植入到铝合金基体中，能充分发挥碳纤维多维度增强和铝合金形变强化协同作用，在完成减重效益的同时还可以有效地提高合金的强度和抗损伤容限能力。加入碳纤维增强后的铝基复合材料的模量比铝合金高2-4倍，疲劳强度也比铝合金高出30％以上。现有技术通常是采用挤压铸造、压力浸渗和粉末冶金等方法制备出无塑性变形态可协同延展的碳纤维增强铝基复合材料。然而，目前的铝合金构件主要是以塑性变形态使用(以我国大飞机C919机身蒙皮、长桁及支柱为例，其主要采用多级热处理和多道次塑性变形制备而成)。但是，碳纤维不具备延展性，与铝合金基体之间的延展性存在较大差异；在铝合金铸坯塑性变形过程中，碳纤维无法有效协同合金基体延展而被拉断，成为限制塑性变形态可协同延展的碳纤维增强铝基复合材料开发的关键技术难题。专利技术内容(一)要解决的技术问题为解决碳纤维与金属基体之间的延展性差异所导致的轧制塑性变形过程中碳纤维增强相断裂失效的问题，本专利技术提供一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念及相应的制备装置和方法，可实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配的目的，从而得到高强度的可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一方面，本专利技术提供一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念，通过将碳纤维布折叠成波纹型植入到金属基体中，使碳纤维布的波纹形的起伏方向与塑性轧制方向一致；在金属基复合材料的塑性轧制变形过程中，所述波纹型碳纤维布耦合金属基体协同延展变形，实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配。具体地，通过在碳纤维布凝固在金属熔体的过程中，使碳纤维布被弯折成波纹形，随着金属熔体的凝固，碳纤维布以波纹形态镶嵌在金属基体中，使金属基体的断面呈形，其中波纹线表示碳纤维布。由于碳纤维布预先以波纹型植入在金属基体中，在后续的热塑性轧制变形过程中，金属基体发生延展，同时碳纤维布由波纹状向平直状变形，与金属基体实现“协同延展”，避免碳纤维布材料本身不具延展性而发生断裂，导致碳纤维布增强相的增强效果减弱或失效。优选地，根据实际需求，所述碳纤维的数量为一片或一片以上；例如可为两片、三片、四片等，且均以波纹形态植入在所述金属基体中。根据本专利技术较佳实施例，植入的碳纤维布以波纹型凝固在金属基体内，通过调节碳纤维布的波纹的形状尺寸因子限制复合材料的结构特性，进而实现金属基复合材料在塑性轧制过程中波纹型碳纤维耦合金属基体协同延展伸长；所述尺寸因子包括宽度D值、振幅A值和植入位置R值；所述宽度D值指代波纹的相邻两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹的波峰到波谷的垂直距离，所述R值表示碳纤维到金属基体边缘的距离。通过调节碳纤维布的波纹型的形状尺寸因子，可实现碳纤维布延展性能的调节，以满足实际需求。优选地，所述金属基体为铝合金基体，所述铝合金基体包括但不限于纯铝、铝镁合金和铝锂合金。另一方面，本专利技术还提供一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备装置，其包括固定支架、不锈钢模具、旋转磁场发生单元；所述固定支架用来对不锈钢模具和旋转磁场发生单元进行固定并调整两者的相对位置；所述旋转磁场发生单元设于所述不锈钢模具的外侧；所述不锈钢模具包括一个容槽，所述容槽前后两侧设有两个竖直插入容槽内的插板，所述插板上设有波纹形槽道；所述波纹形槽道用于固定碳纤维布，借助所述波纹形槽道使平直的碳纤维布弯折成波纹形状固定在所述容槽中；所述不锈钢模具用于盛放金属熔体；所述旋转磁场发生单元提供磁场对所述不锈钢模具内的金属熔体进行搅拌，以强化金属熔体与碳纤维布之间的界面浸渗作用。作为本专利技术一个较佳实施例，所述插板与所述容槽为一体成型；或者所述插板为可拆卸地插在所述容槽的前后两侧；所述插板上设有两条波纹形槽道，用于将两片碳纤维布以波纹形弯曲状态固定在所述容槽内。作为本专利技术一个较佳实施例，所述两条波纹形槽道之间间距为10mm，所述两条波纹形槽道呈中心对称；波纹形槽道的槽宽为碳纤维布厚度的100-105％，使碳纤维布能够顺利地固定在波纹形槽道中，并被弯曲为波纹形。作为本专利技术一个较佳实施例，所述旋转磁场发生单元由三相三极对E型线圈组成；所述插板上的波纹形槽道，根据插板不同，具有不同的度D值、振幅A值和植入位置R值；所述宽度D值指代波纹形槽道的相邻两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹形槽道的波峰到波谷的垂直距离，所述R值表示波纹形槽道到插板边缘的距离。再一方面，本专利技术提供了一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其采用上述任一方案所述的制备装置，制备步骤如下：S1、熔炼金属基体：熔炼金属基体至熔融状态，得到金属熔体；S2、预热处理：将不锈钢模具与碳纤维布进行预热；S3、金属基体和碳纤维的渗浸：具体包括：S3-1、将预热后的碳纤维布插放至所述插板上的波纹形槽道中，使碳纤维布以波纹形状固定在所述容槽中；S3-2、向不锈钢模具的容槽内浇铸步骤S1得到的金属熔体；S3-3、开启旋转磁场发生单元，该旋转磁场发生单元产生的洛仑磁力对金属熔体进行电磁搅拌，以强化金属熔体和碳纤维布之间的界面渗浸作用，直到金属熔体凝固，得到碳纤维增强的铝合金铸锭；其中，碳纤维布以波纹型镶嵌在金属基体中；S4：热塑性变形轧制：对步骤S3得到的铝合金铸锭进行热塑性变形轧制，轧制方向与所述碳纤维布的波纹起伏方向一致；通过热塑性变形轧制，碳纤维布耦合金属基体协同延展变形，得到高强可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料。优选地，步骤S1中，金属熔体为铝熔体，所述金属基体为铝合金基体，包括但不限于纯铝、铝镁合金、铝锂合金、共晶铝硅合金和2219铝合金。优选地，所述金属基体的熔炼温度为700-780℃，当金属基体完全熔融后，保温15-25min。优选地，步骤S2中，采用电炉预热所述不锈钢模具；采用箱式干燥箱预热碳纤维布，预热温度均为450-550℃。优选地，步骤S3中，所述旋转磁场的磁通量密度为15-35mT、频率为40-60Hz。优选地，热塑性变形轧制共进行4次，依次为1次粗轧制和3次精轧制；热塑性轧制的总变形量控制在80％以内；粗轧制的变形量控制在50％以内，每次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念，其特征在于，将碳纤维布折叠成波纹型植入到金属基体中，使碳纤维布的波纹形的起伏方向与塑性轧制方向一致；以便在后续的塑性轧制变形过程中，所述波纹形碳纤维布能够耦合铝合金基体协同延展变形，实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配。/n

【技术特征摘要】
1.一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的设计理念，其特征在于，将碳纤维布折叠成波纹型植入到金属基体中，使碳纤维布的波纹形的起伏方向与塑性轧制方向一致；以便在后续的塑性轧制变形过程中，所述波纹形碳纤维布能够耦合铝合金基体协同延展变形，实现碳纤维布增强相与金属基体的延展性相匹配。


2.如权利要求1所述的金属基复合材料的设计理念，其特征在于，所述碳纤维的数量为一片或一片以上。


3.如权利要求1所述的金属基复合材料的设计理念，其特征在于，植入的碳纤维布以波纹形凝固在铝合金基体内，通过调节碳纤维布的波纹的形状尺寸因子限制复合材料的结构特性，进而实现金属基复合材料在塑性轧制过程中波纹型碳纤维耦合铝合金基体协同延展伸长；
所述尺寸因子包括宽度D值、振幅A值和植入位置R值；所述宽度D值指代波纹的相邻两个波谷之间的距离、振幅A指代波纹的波峰到波谷的垂直距离，所述R值表示碳纤维到铝合金基体边缘的距离。


4.如权利要求1所述的金属基复合材料的设计理念，其特征在于，所述金属基体为铝合金基体。


5.一种可协同延展的碳纤维增强金属基复合材料的制备装置，其特征在于，包括固定支架、不锈钢模具、旋转磁场发生单元；所述固定支架用来对不锈钢模具和旋转磁场发生单元进行固定并调整两者的相对位置；所述旋转磁场发生单元设于所述不锈钢模具的外侧；
所述不锈钢模具包括一个容槽，所述容槽前后两侧设有两个竖直插入容槽内的插板，所述插板上设有波纹形槽道；所述波纹形槽道用于固定碳纤维布，借助所述波纹形槽道使平直的碳纤维布弯折成波纹形状固定在所述容槽中；所述不锈钢模具用于盛放金属熔体；
所述旋转磁场发生单元提供磁场对所述不锈钢模具内的金属熔体进行搅拌，以强化金属熔体与碳纤维布之间的界面浸渗作用。


6.如权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述插板与所述容槽为一体成型；或者所述插板为可拆卸地插在所述容槽的前后两侧；所述插板上设有两条波纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹清川，张子勖，安希忠，张浩，付海涛，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21