一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，将直径6～7μm，长度0.5～2mm的碳纤维进行去胶、粗化、敏化、活化和还原预处理；然后采用化学镀的方法在碳纤维表面镀覆一层金属镍，得到镀镍碳纤维；将碳化锆和铝合金粉末进行球磨混粉，再与镀镍碳纤维经机械搅拌得到混合粉末；然后将混合粉末进行放电等离子体烧结，冷却脱模后得到改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料。本发明专利技术制备的改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料力学性能好，硬度高，耐磨性好。

【技术实现步骤摘要】
一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法
本专利技术属于铝基复合材料
，具体涉及一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法。
技术介绍
航天航空以及汽车领域的快速发展，对材料的综合性能提出了更高的要求，研究者们一致致力于追求发动机大的推重比、高的燃油消耗率以及能源的可持续发展，材料的轻量化是解决这一问题的主要方法。铝基复合材料具有重量轻、高比强度、高比刚度、高耐磨、低热膨胀系数、尺寸稳定等优点，性能优异，具有很强的可设计性，在航空航天、军事领域以及汽车行业有着广泛的应用。目前，铝基复合材料中常用的增强体有陶瓷颗粒、纤维和晶须等。陶瓷颗粒强度高，硬度大，能有效提高复合材料的强度和耐磨性，但它在提高复合材料强度的同时往往伴随着塑性的急剧下降，碳纤维(Cf)因具有低密度、高比强度、高比刚度、优异耐疲劳性和热传导性等优良特性而被广泛用做增强材料。但当温度高于500℃时，碳纤维就会和铝反应生成Al4C3，碳纤维受损以及界面处生成较多的脆性相Al4C3，都会使复合材料的力学性能急剧下降。影响铝基复合材料性能的另一关键点是碳纤维在基体中分布的均匀性，单独的纤维很难实现在基体材料中的均匀分布。目前铝基复合材料主要的制备工艺有铸造法、热压烧结法以及液相浸渍法。铸造法工艺简单，制造成本低，但是由于碳纤维和金属的密度相差较大，碳纤维容易漂浮在铝液表面，从而使得碳纤维的均匀分布较为困难。热压烧结法烧结温度低，材料的致密度好，常用于制备短纤维增强铝基复合材料，但是烧结时间较长，会增加Al和C的反应程度，生成较多的Al4C3。液相浸渍法常常需要将碳纤维制备成具有一定强度的预制体，预制体的强度影响着后期熔融金属浸渍纤维时所加的强度，工艺复杂，有浸渍不完全的风险，它主要适用于编织体碳纤维增强铝基复合材料。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，提高铝基复合材料的力学性能和耐磨性能。本专利技术采用以下技术方案：一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，将直径6～7μm，长度0.5～2mm的碳纤维进行去胶、粗化、敏化、活化和还原预处理；然后采用化学镀的方法在碳纤维表面镀覆一层金属镍，得到镀镍碳纤维；将碳化锆和铝合金粉末进行球磨混粉，再与镀镍碳纤维经机械搅拌得到混合粉末；然后将混合粉末进行放电等离子体烧结，冷却脱模后得到改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料。具体的，去胶处理具体为：利用纯度99.5％的丙酮对碳纤维进行去胶处理，去胶时间为24～48h，去胶完成后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。具体的，粗化处理具体为：将去胶处理后的碳纤维放入含100～140ml/L的H2SO4和140～200g/L的(NH4)2SO4的粗化液中反应2～4h，然后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。具体的，敏化处理具体为：将粗化处理后的碳纤维放入含浓度为20～40g/L的SnCl2和40～50ml/L的浓HCl的敏化液中，磁力搅拌15～30min后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。具体的，活化处理具体为：将敏化处理后的碳纤维放入含浓度0.2～0.3g/L的PdCl2和15～20ml/L的浓HCl的活化液中，活化时间为15～30min，活化后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。具体的，还原处理具体为：将活化处理后的碳纤维放入浓度为20～40g/L的NaH2PO2·H2O水溶液中，磁力搅拌15～30min，还原后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。具体的，化学镀时所采用的镀液成分和浓度为20g/LNiSO4·6H2O、15g/LNaH2PO2·H2O、8g/LNa3C6H5O7·2H2O、16g/LNH4Cl、8～12g/LNaOH；在磁力搅拌下将预处理后的碳纤维加入镀液中，镀覆温度为50～70℃，镀覆时间为5～8min，pH值为9～11，镀覆完成后抽滤得到镀镍碳纤维，再用去离子水将碳纤维洗涤至中性。具体的，球磨处理的转速为100～150r/min，球磨处理的时间为4～7h，将镀镍碳纤维放入酒精溶剂中，机械搅拌至分散均匀后，加入球磨处理后的碳化锆和铝合金粉，再搅拌30～60min，然后再抽滤得到混合均匀的镀镍碳纤维、碳化锆和铝合金粉的混合物，经真空烘干得到混合粉末。进一步的，碳化锆粉末的纯度为99.9％，粒径为3～10μm，铝合金粉为2024Al，2024Al的成分为3.879％Cu、1.283％Mg、0.451％Mn、0.137％Zn、0.123％Fe、0.088％Si、其余为Al。具体的，将镀镍碳纤维、碳化锆和铝合金粉的混合物放入石墨模具中进行放电等离子体烧结，烧结温度为440～480℃，烧结压力为20～40MPa，升温速率为50～100℃/min，保温时间为5～20min，烧结完成后随炉冷却，脱模得到镀镍碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，在碳纤维表面化学镀镍层可以有效阻挡和减少纤维与铝基体的反应，提高纤维和铝的界面结合强度；将碳纤维和碳化锆陶瓷同时引入铝基复合材料中，起到双相增强的作用，可同时提高复合材料的力学性能和耐磨性能；采用放电等离子体法烧结，可显著降低烧结温度，缩短烧结时间，提高材料的致密度，提高烧结速率，从而降低C和Al的反应程度，烧结的同时加压可提高碳纤维在基体中分布的均匀性。进一步的，利用丙酮去除碳纤维表面的有机胶，使得碳纤维表面充分的裸露出来，有利于后续在碳纤维表面进行预处理和镀镍，提高碳纤维和镍层的界面结合强度。进一步的，粗化处理增大碳纤维的比表面积，使碳纤维表面出现大量沟槽，提高碳纤维和金属镍层的机械结合强度。进一步的，敏化反应是在碳纤维表面附着Sn2+，增大碳纤维表面的活性，为后续的活化过程提供基础。进一步的，活化是使金属钯(Pd)沉积在碳纤维表面，作为后续化学镀镍的起始催化核心。进一步的，还原处理是去除碳纤维表面多余的Pd2+。进一步的，化学镀镍是为了在碳纤维表面沉积上均匀致密具有一定厚度的金属镍层。进一步的，球磨是将碳化锆与铝合金粉混合均匀，使碳化锆在烧结过程呈弥散分布。进一步的，机械搅拌是先将镀镍碳纤维分散后，再加入球磨后的碳化锆和铝合金粉，从而使的镀镍碳纤维、碳化锆和铝合金粉混合均匀。进一步的，2024Al密度小强度高，加工性能优异，是航空航天、军事领域以及汽车领域最常用的铝合金材料之一；碳化锆(ZrC)陶瓷硬度高，可达25.5GPa，是性能优异的耐磨、增强材料，采用ZrC作为陶瓷颗粒增强体。进一步的，通过设置的烧结参数，降低烧结温度，缩短烧结时间，提高烧结速率，提高碳纤维分散的均匀性，阻挡和减少碳纤维和铝的反应，提高烧结致密度。综上所述，本专利技术通过在碳纤维表面化学镀镍，解决了碳纤维与铝界面不润湿而导致的结合较差以及界面反应较严重的问题，采用碳纤维和碳化锆双相增强铝基复合材料可显著提高其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，将直径6～7μm，长度0.5～2mm的碳纤维进行去胶、粗化、敏化、活化和还原预处理；然后采用化学镀的方法在碳纤维表面镀覆一层金属镍，得到镀镍碳纤维；将碳化锆和铝合金粉末进行球磨混粉，再与镀镍碳纤维经机械搅拌得到混合粉末；然后将混合粉末进行放电等离子体烧结，冷却脱模后得到改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，将直径6～7μm，长度0.5～2mm的碳纤维进行去胶、粗化、敏化、活化和还原预处理；然后采用化学镀的方法在碳纤维表面镀覆一层金属镍，得到镀镍碳纤维；将碳化锆和铝合金粉末进行球磨混粉，再与镀镍碳纤维经机械搅拌得到混合粉末；然后将混合粉末进行放电等离子体烧结，冷却脱模后得到改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料。


2.根据权利要求1所述的改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，去胶处理具体为：利用纯度99.5％的丙酮对碳纤维进行去胶处理，去胶时间为24～48h，去胶完成后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。


3.根据权利要求1所述的改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，粗化处理具体为：将去胶处理后的碳纤维放入含100～140ml/L的H2SO4和140～200g/L的(NH4)2SO4的粗化液中反应2～4h，然后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。


4.根据权利要求1所述的改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，敏化处理具体为：将粗化处理后的碳纤维放入含浓度为20～40g/L的SnCl2和40～50ml/L的浓HCl的敏化液中，磁力搅拌15～30min后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。


5.根据权利要求1所述的改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，活化处理具体为：将敏化处理后的碳纤维放入含浓度0.2～0.3g/L的PdCl2和15～20ml/L的浓HCl的活化液中，活化时间为15～30min，活化后用去离子水将碳纤维洗涤至中性。


6.根据权利要求1所述的改性碳纤维和碳化锆增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，还原处理具体为：将活化处理后的碳纤维放入浓度为20～...

【专利技术属性】
技术研发人员：高义民，周璇，路向前，王怡然，赵四勇，
申请(专利权)人：西安交通大学，广西长城机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61