一种定向分布的预应力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铝合金制备领域，公开了一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）对同向排列的碳纤维施加预张力，用模具固定，获得定向排列的碳纤维；（2）在模具中倒入表面活性剂的水溶液，充分浸润后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳纤维；（3）在模具中倒入铝液，超声震荡后，冷却，获得碳纤维增强铝基复合材料。本发明专利技术的制备方法通过在碳纤维外包覆表面活性剂，能有效改善碳纤维与铝基体之间的相容性，提高复合材料的力学性能和导热性能。

【技术实现步骤摘要】
一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法
本专利技术涉及铝合金制备领域，尤其涉及一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法。
技术介绍
铝基复合材料是常见的金属基复合材料，其密度小、质量轻、可塑性好，易于加工，高温性能好，与其他材料相比，有着良好的物理性能与力学性能，非常适合用于制备电力系统用高导热、高机械强度材料。碳纤维增强铝基复合材料(CarbonFiberReinforcedAluminumMatrixComposites，简称Cf/Al复合材料)是以碳纤维为强化体，以铝或铝合金为基体的一类复合材料的统称，它具有良好的耐磨性、低的热膨胀系数、优异的导电和导热性等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、电子仪器以及民用器具等领域。Cf/Al界面的结合方式和结构对于复合材料中基体和碳纤维之间的载荷传递起到了非常重要的作用。增强体碳纤维具有很多优良性能，但是只有碳纤维和铝基复合材料良好结合才能充分利用其性能，而碳纤维和铝基体只有在1000℃时才可以完全润湿，但是在此温度上，碳纤维氧化反应强烈，损伤非常严重。另一方面，在高温下界面反应加剧，虽然能改善界面结合，但生成的Al4N3热导率低(140W/m·K)，会造成较大的界面热阻。界面相同性差的问题对碳纤维增强铝基复合材料的力学性能和导热性能均产生了影响。公开号为CN108866457B的中国专利文献公开了一种连续碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在碳纤维单丝表面化学镀铜，得预浸体；(2)将所述预浸体浸入有机粘附剂中5～10s，取出，将粘附有机粘附剂的预浸体在铝粉中反复振动，得碳纤维单丝表面均匀粘附铝粉的初浸料，将所述初浸料上的有机粘附剂固化，得碳纤维初级料；(3)将所述碳纤维初级料再次浸入所述有机粘附剂中5～10s，取出，然后在铝粉中反复振动，得碳纤维单丝表面均匀粘附铝粉的次浸料，再将所述次浸料上的有机粘附剂固化，得碳纤维次级料；(4)重复步骤(3)，粘附多层铝粉，得直径为0.5～1mm的碳纤维复合料；(5)在真空热压烧结炉的热压模具中平行放入多层所述碳纤维复合料，真空热压烧结，得碳纤维增强铝基复合材料。该方法通过在碳纤维表面镀铜，改善了铝与碳纤维之间的界面浸润性，但相较于Cf/Al复合材料而言，铜的热导率较低(401W/m·K)，会对复合材料的导热性能产生影响。因此，目前仍然缺乏一种简单、高效的改善Cf/Al界面相容性，以获得高导热、高力学性能铝基复合材料的方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法。该方法能有效改善碳纤维与铝基体之间的相容性，提高复合材料的力学性能和导热性能。本专利技术的具体技术方案为：一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)对同向排列的碳纤维施加预张力，用模具固定，获得定向排列的碳纤维；(2)在模具中倒入表面活性剂的水溶液，充分浸润后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳纤维；(3)在模具中倒入铝液，超声震荡后，冷却，获得碳纤维增强铝基复合材料。本专利技术在碳纤维表面包覆表面活性剂，再与铝液混合，能降低碳纤维与铝液之间的界面张力，提高界面浸润性，改善碳纤维与铝基体之间的界面结合；同时，在倒入铝液后，通过超声震荡促进铝液在碳纤维表面的扩散，能进一步促进Cf/Al界面结合。Cf/Al界面结合的改善能使载荷能有效地从铝基体传递到碳纤维，防止两者在受拉时剥离，从而提高碳纤维增强铝基复合材料的抗拉性能，并且，界面结合的改善还能减小界面热阻，提高复合材料的导热性能。此外，本专利技术通过施加预张力使碳纤维定向分布，能有效提高复合材料的纵向抗拉强度；并且，由于碳纤维的热传导具有明显的各向异性，轴向热导率很高，径向热导率很低，通过使碳纤维定向分布，能发挥其一维高热传导的优势，提高复合材料的纵向导热性。作为优选，步骤(1)中，所述预张力为10～100N。作为优选，步骤(2)中，所述表面活性剂为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂、烷基葡糖苷中的至少一种。作为优选，步骤(2)中，所述表面活性剂的水溶液的质量分数为5～50wt.％。作为优选，步骤(2)中，所述浸润的时间为30～120min。作为优选，步骤(3)中，所述超声震荡的时间为10～60min。作为优选，步骤(1)中，所述碳纤维为包括芯部和皮层的皮芯结构碳纤维；所述芯部为碳纤维，所述皮层为铝/碳复合材料。本专利技术将碳纤维设计成皮芯结构，通过铝/碳复合材料皮层与铝基体结合，能提高碳纤维与铝基体之间的相容性，改善Cf/Al界面结合，从而提高复合材料的抗拉强度和导热性；通过碳纤维芯部，能提高碳纤维中的碳含量，从而更好地发挥碳纤维对复合材料的增强作用。进一步地，所述芯部的直径为3～5μm；所述皮层的厚度为1～2μm。进一步地，所述皮芯结构碳纤维的制备方法如下：(A)对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；(B)将碳纤维原丝在200～400℃、空气气氛中进行预氧化；(C)用铝溶胶与熔融沥青的混合液对碳纤维原丝进行浸渍，获得包覆有铝溶胶与熔融沥青的碳纤维；所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:3～5；(D)将浸渍处理后的碳纤维在200～400℃、空气气氛中进行预氧化；(E)将预氧化处理后的碳纤维在800～1200℃、氮气气氛中进行碳化；(F)将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维。在碳纤维原丝预氧化(稳定化)后，通过浸渍涂层法在原丝外包覆铝溶胶与熔融沥青的混合层。在后续预氧化的过程中，外层混合层中的聚丙烯腈经历一系列复杂反应，转化成热稳定并具有半导体电阻值的吡啶环梯形结构，同时，外层的铝溶胶也干燥固化。碳化处理后，通过电解，使外层的氧化铝转化为铝，具体过程如下：在电解过程中，碳纤维外层的氧化铝与熔融冰晶石中的AlF63-反应生成Al2OF62-，Al2OF62-进入电解质中，在碳纤维外层形成孔隙，AlF63-在阴极被还原成铝，以铝液的形式填充到碳纤维外层的孔隙中，冷却后即可获得芯部为碳纤维、皮层为铝/碳复合材料的皮芯结构碳纤维。电解时，阳极生成二氧化碳，可通过阳极是否有气泡冒出来判断电解是否完成。步骤(B)中，采用铝溶胶而不直接采用铝单质的原因在于，铝单质的熔点较低(660℃)，在碳化时会因熔化而流失，而铝溶胶中的铝以氧化铝的形式存在，氧化铝熔点高达2054℃，在高温碳化时仍能稳定存在。此外，铝溶胶的多孔性使其能在皮层形成一个多孔骨架，提高皮层中铝与碳材料的接触面积，从而更好地改善复合材料中碳纤维与铝基体之间的相容性。进一步地，所述皮层由内到外依次包括内层、中层和外层，内层、中层、外层的铝含量依次增大；所述芯部的直径为3～5μm，所述内层、中层、外层的厚度均为1～2μm。进一步地，所述皮芯结构碳纤维的制备方法如下：(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）对同向排列的碳纤维施加预张力，用模具固定，获得定向排列的碳纤维；/n（2）在模具中倒入表面活性剂的水溶液，充分浸润后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳纤维；/n（3）在模具中倒入铝液，超声震荡后，冷却，获得碳纤维增强铝基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对同向排列的碳纤维施加预张力，用模具固定，获得定向排列的碳纤维；
（2）在模具中倒入表面活性剂的水溶液，充分浸润后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳纤维；
（3）在模具中倒入铝液，超声震荡后，冷却，获得碳纤维增强铝基复合材料。


2.如权利要求1所述的一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述预张力为10~100N。


3.如权利要求1所述的一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤（2）中，所述表面活性剂为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂、烷基葡糖苷中的至少一种；和/或
步骤（2）中，所述表面活性剂的水溶液的质量分数为5~50wt.%。


4.如权利要求1所述的一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述浸润的时间为30~120min。


5.如权利要求1所述的一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述超声震荡的功率为500~1000W，时间为10~60min。


6.如权利要求1所述的一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述碳纤维为包括芯部和皮层的皮芯结构碳纤维；所述芯部为碳纤维，所述皮层为铝/碳复合材料。


7.如权利要求6所述的一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述芯部的直径为3~5μm；所述皮层的厚度为1~2μm。


8.如权利要求7所述的一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述皮芯结构碳纤维的制备方法如下：
（A）对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；
（B）将碳纤维原丝在200~400℃、空气气氛中进行预氧化；
（C）用铝溶胶与熔融沥青的混合液对碳纤维原丝进行浸渍，获得包覆有铝溶胶与熔融沥青的碳纤维；所述铝...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐巍峰，朱培红，季伟，吴建灵，王文军，初金良，叶吉超，孟繁东，吴梦凯，韩怡秋，邵明亮，
申请(专利权)人：丽水正阳电力建设有限公司，丽水正好电力实业集团有限公司，国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，贵州晟展峰新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33