一种碳纤维增强铝硅基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维增强铝硅基复合材料及其制备方法，所述碳纤维增强铝硅基复合材料包括以下原料组分：纯铝粉、碳纤维和Al

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强铝硅基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属基复合材料及其制备
，尤其涉及一种碳纤维增强铝硅基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]高硅含量铝硅合金一般指硅含量超过共晶成分(＞12.6％，质量分数)的合金，其具有密度小、热导率高、热膨胀系数低、工艺性能良好等优点，作为电子封装材料、活塞等在军事、航空、航天、交通等高
具有重要应用价值。常规铸造合金中，由于冷却速率较低(小于100℃/s)，Si相宏观偏析严重、分布均匀性很差，初生Si相呈板条状、星状、多面体等多种形态，并且尺寸粗大(>100μm)、棱角尖锐，严重割裂Al基体的连续性，导致力学、加工等性能严重下降。
[0003]现有技术中的常采用喷射沉积技术制备不同硅含量的铝硅合金，喷射沉积技术即是利用高速气流击碎、冷却金属熔体，在雾化液滴未完全凝固时将其沉积成一定形状和尺寸的沉积锭坯。由于沉积锭坯中会残留一些孔洞，导致铝硅合金材料的相对密度只能达到80～96％，需要经过致密化处理以去除沉积锭坯中的残留孔洞。例如，英国Osprey金属公司采用喷射沉积技术结合热等静压方法制备不同硅含量铝硅合金，是获得大规格铝硅合金锭坯的重要途经，并已经得到商业化应用(详见专利，公开号：EP0839078B1，US6312535B1)。然而，对于高硅含量的铝硅合金在降低合金热膨胀系数的同时，塑韧性和机加工性能也随之下降，导致铝硅合金的应用受到了极大的限制。
[0004]在结构
‑
功能一体化发展的趋势下，通过在铝硅合金中引入具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等优点的碳纤维，在保持铝硅合金良好热导率和热膨胀系数的情况下，还可以改善复合材料的塑韧性，提高其服役表现并拓宽应用领域。目前，关于碳纤维增强铝硅基复合材料及其喷射沉积制备方法还鲜有报道。碳纤维增强金属基复合材料具有优异的综合性能，在航空航天、汽车制造等领域同样受到广泛关注。然而，目前诸多制备碳纤维增强金属基复合材料的制备方法均存在很大的局限性，比如对碳纤维造成损伤或污染基体合金、碳纤维表面，从而不利于碳纤维增强铝硅基复合材料的力学性能和加工性能。
[0005]中国专利103628005A公开了一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料及制备方法，其铝基合金中硅的质量分数为10％～12％，且该制备工艺在熔体合成
‑
压铸成型过程的冷却速度低，碳纤维容易被固/液推移至最后凝固的晶界上，导致碳纤维的偏聚，容易受到损坏。另外，现有金属基复合材料的制备方法可以分为液相法和固相法，传统液相法制备碳纤维增强铝硅基复合材料时，碳纤维容易出现聚集，导致其强韧化作用无法有效发挥的问题；而传统固相法制备碳纤维增强铝硅基复合材料时，碳纤维与铝硅基体的界面结合强度低，并且铝硅基体粉末和碳纤维容易氧化、引入杂质而脏化。因此，现有金属基复合材料的制备方法，对于制备高硅含量的碳纤维增强铝硅基复合材料均存在一定的局限性，极大的影响了碳纤维增强铝硅基复合材料的推广应用。

技术实现思路

[0006]基于此，为了克服现有技术的缺陷和不足，本专利技术提供了一种碳纤维增强铝硅基复合材料。
[0007]所述碳纤维增强铝硅基复合材料包括以下原料组分：纯铝粉、碳纤维和Al
‑
Si合金基体；其中，所述Al
‑
Si合金基体中硅的质量分数为12％～70％。
[0008]相对于现有技术，本专利技术中碳纤维均匀分布在具有高硅含量(质量分数为12％～70％)的碳纤维增强铝硅基复合材料中，且碳纤维与Al
‑
Si合金基体产生一定程度的界面反应，增强界面结合强度，使碳纤维增强铝硅基复合材料具有高强度和高韧性。不仅克服了传统液相法制备碳纤维增强铝硅基复合材料时碳纤维容易出现聚集，从而导致其强韧化作用无法有效发挥的问题；同时，也克服了传统固相法碳纤维与Al
‑
Si合金基体的界面结合强度低、且容易氧化、引入杂质而脏化的弊端。因此，本专利技术具有高硅含量的碳纤维增强铝硅基复合材料有利于其在电子封装壳体或活塞等构件领域的批量、稳定化生产；进而在军事、航空、航天、交通等高
具有重要应用价值。
[0009]进一步地，所述纯铝粉为气雾化的近球形粉末，平均粒度为12～20μm，纯度高于99.5％。纯铝粉保持均匀、细质的粒径，可以确保纯铝粉末与碳纤维充分混合，以增强界面结合强度。
[0010]进一步地，所述碳纤维的直径为5～10μm，长度为10～150μm。碳纤维具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。合适的碳纤维的直径和长度，有利于其与Al
‑
Si合金基体产生高校的的界面反应。
[0011]进一步地，在所述碳纤维增强铝硅基复合材料中，所述碳纤维的体积分数为0.2％～5％。一般较高的硅含量对应较低的碳纤维含量，因为硅相的高含量存在，故碳纤维的最优体积分数适当降低。
[0012]本专利技术还提供了一种碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1：制备含碳纤维的铝基预制块：将碳纤维与纯铝粉充分混合后，冷压成型，制成含碳纤维的铝基预制块；
[0014]S2：熔炼复合材料：将Al
‑
Si合金基体熔炼后，加入所述含碳纤维的铝基预制块，均匀搅拌后，获得复合材料熔体；
[0015]S3：喷射沉积制坯：采用喷射沉积工艺将所述复合材料熔体喷射沉积，获得碳纤维增强铝硅基沉积坯料；
[0016]S4：致密化处理：将所述碳纤维增强铝硅基沉积坯料致密化处理后，获得碳纤维增强铝硅基复合材料。
[0017]相对于现有技术，本专利技术利用快速凝固喷射沉积法可以有效解决碳纤维增强铝硅基复合材料的均匀性和界面问题，在短时间内完成碳纤维增强铝硅基复合材料的成形和冷却，制备过程可控性高、锭坯尺寸较大，从而保证了适量的界面反应和提高了结合强度，并且适合工业化生产。其中，碳纤维均匀分布在所述碳纤维增强铝硅基复合材料中，且碳纤维与Al
‑
Si合金基体产生一定程度的界面反应，增强界面结合强度，使碳纤维增强铝硅基复合材料具有高强度和高韧性。不仅克服了传统液相法制备碳纤维增强铝硅基复合材料时碳纤维容易出现聚集，从而导致其强韧化作用无法有效发挥的问题；同时，也克服了传统固相法
碳纤维与Al
‑
Si合金基体的界面结合强度低、且容易氧化、引入杂质而脏化的弊端。因此，本专利技术所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，有利于其在电子封装壳体或活塞等构件领域的批量、稳定化生产；进而在军事、航空、航天、交通等高
具有重要应用价值。
[0018]进一步地，在所述步骤S3中，所述喷射沉积工艺的工作条件为：喷嘴直径为3.2～4.5mm，雾化气体压力为0.9～1.3MPa，雾化温度为850～1250℃，沉积盘的接受距离为380～520mm，雾化器扫描频率为21～24Hz，沉积盘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强铝硅基复合材料，其特征在于：包括以下原料组分：纯铝粉、碳纤维和Al
‑
Si合金基体；其中，所述Al
‑
Si合金基体中硅的质量分数为12％～70％。2.根据权利要求1所述碳纤维增强铝硅基复合材料，其特征在于：所述纯铝粉为气雾化的近球形粉末，平均粒度为12～20μm，纯度高于99.5％。3.根据权利要求2所述碳纤维增强铝硅基复合材料，其特征在于：所述碳纤维的直径为5～10μm，长度为10～150μm。4.根据权利要求3所述碳纤维增强铝硅基复合材料，其特征在于：在所述碳纤维增强铝硅基复合材料中，所述碳纤维的体积分数为0.2％～5％。5.一种制备如权利要求1～4任意一项所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：制备含碳纤维的铝基预制块：将碳纤维与纯铝粉充分混合后，冷压成型，制成含碳纤维的铝基预制块；S2：熔炼复合材料：将Al
‑
Si合金基体熔炼后，加入所述含碳纤维的铝基预制块，均匀搅拌后，获得复合材料熔体；S3：喷射沉积制坯：采用喷射沉积工艺将所述复合材料熔体喷射沉积，获得碳纤维增强铝硅基沉积坯料；S4：致密化处理：将所述碳纤维增强铝硅基沉积坯料致密化处理后，获得碳纤维增强铝硅基复合材料。6.根据权利要求5所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述喷射沉积工艺的工作条件为：喷嘴直径为3.2～4.5mm，雾化气体压力为0.9～1.3MPa，雾化温度为850～1250℃，沉积盘的接受距离为380～520mm，雾化器扫描频率为21～24Hz，沉积盘的下降速度为19～25mm/min，雾化气体为氮气，中间包温度为900～1000℃。7.根据权利要求6所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，采用低温球磨工艺将按...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志勇，王日初，彭超群，钟剑锋，纪乐，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：