一种具有内应力调节功能的铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及复合材料制备技术领域，具体是一种具有内应力调节功能的铝基复合材料及其制备方法。所述的制备方法包括下述步骤：(1)调配电镀刺状铜/碳纳米管复合涂层电镀液：将硫酸铜、硫酸、葡萄糖、焦磷酸铜、聚乙烯亚胺放入蒸馏水中，机械搅拌，再将碳纳米管加入溶液中；(2)在碳纤维表面电镀刺状铜/碳纳米管复合涂层；(3)碳纤维与铝片铺层叠设：(4)挤压铸造。本发明专利技术在碳纤维表面涂覆了一层刺状的铜/碳纳米管复合涂层，不仅提高了碳纤维与铝基体之间的润湿性，而且能够对铝基复合材料的内应力起到调节作用，表现出优异的机械性能和安全可靠性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有内应力调节功能的铝基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料制备
，具体是一种具有内应力调节功能的铝基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维是一种具有诸多优异性能的纤维状碳质材料，其抗拉强度一般在1600MPa以上，弹性模量在230GPa以上；密度仅为钢的1/4，铝的2/3；在惰性气体或真空条件下，使用温度高达2000℃；在高浓度盐酸或硫酸溶液中浸泡200天性质基本不会改变。因此，碳纤维常被作为增强体来提高铝基复合材料的综合性能。碳纤维增强铝基复合材料由于兼并了碳纤维与铝基体优良性能，具有轻质、高比强度和比刚度、低热膨胀系数以及抗腐蚀耐高温等优良性能，在民用汽车，船舶以及航空航天等领域有着广阔的应用前景，但是在碳纤维增强铝基复合材料的制备过程中发现碳纤维与铝基体之间具有较差的润湿性，这将导致铝基体难以充分地浸渗到碳纤维束中，制备的复合材料中存在较多的未浸渗缺陷；同时在高温制备环境中，碳纤维与铝基体也易发生严重的界面腐蚀反应，这一方面损坏了碳纤维表面的原有结构，另一方面在界面处生成反应产物Al4C3,影响材料的综合性能。
[0003]为了提高碳纤维与铝基体间的润湿性并抑制两者间严重的界面反应，碳纤维表面涂覆处理将是一种行之有效的方法，参见论文“高嵩.短碳纤维增强工业原铝复合材料的研究[D].辽宁:东北大学,2006”和论文“Yang Q R,Liu J X,Li S K,et al.Fabrication and mechanical properties of Cu
‑
coated woven carbon fibers reinforced aluminum alloy composite[J].Materials and Design,2014,57:442
‑
448.”，通常在碳纤维表面涂覆一层铜涂层，并将含铜涂层的碳纤维应用到铝基复合材料制备中。尽管铜涂层能够有效的提高碳纤维与铝基体间的润湿性，并抑制两者间严重的界面反应，制备出结构致密的铝基复合材料，但是铜涂层本身会与铝基体发生共晶反应，在纤维界面处析出金属间化合物Al2Cu，Al2Cu是一种脆性相，在外载荷作用下很容易发生破坏，并形成应力集中，另外Al2Cu也导致碳纤维与铝基体形成过强的界面结合，无法对应力起到调节作用，因此制备的材料常常发生低应力破坏，严重影响材料的机械性能及可靠性。

技术实现思路

[0004]本专利技术要提供一种具有内应力调节功能的铝基复合材料及其制备方法，以解决传统涂层碳纤维增强铝基复合材料无法对内应力进行调节，而通常出现材料的低应力破坏，严重影响材料的机械性能及可靠性的问题。
[0005]为达到本专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案是：一种具有内应力调节功能的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤
[0006](1)调配电镀刺状铜/碳纳米管复合涂层电镀液：将硫酸铜、硫酸、葡萄糖、焦磷酸铜、聚乙烯亚胺放入蒸馏水中，机械搅拌15
‑
30min，得到化学试剂溶液，其中化学试剂浓度分别为
[0007]硫酸铜：150
‑
300g/L；
[0008]硫酸：40
‑
70g/L；
[0009]葡萄糖：20
‑
50g/L；
[0010]焦磷酸铜：40
‑
90g/L；
[0011]聚乙烯亚胺：2
‑
4g/L；
[0012]再将碳纳米管加入溶液中，使其浓度为0.5
‑
1g/L，通过超声振荡使碳纳米管均匀分散，制得电镀刺状铜/碳纳米管复合涂层电镀液；
[0013](2)在碳纤维表面电镀刺状铜/碳纳米管复合涂层：将步骤(1)所调配的复合涂层电镀液置于电镀槽中，在恒定电流条件下对碳纤维实施电镀，得到表面涂覆复合涂层的碳纤维
[0014]所述电镀的工艺参数为：电流密度为150
‑
400mA/dm2，温度为5
‑
40℃，电镀时间为3
‑
7min；
[0015](3)碳纤维与铝片铺层叠设：将步骤(2)得到的碳纤维与预处理过的铝片在石墨模具中依次铺层叠加起来，所述碳纤维与铝片的体积比为4:16
‑
4:76；
[0016]所述铝片的预处理：使用浓度为4
‑
7mol/L的硫酸溶液对铝片进行腐蚀处理30
‑
60min；
[0017](4)挤压铸造：将步骤(3)的石墨模具放入高温真空热压炉中，抽取炉腔内的空气使其真空度达到10
‑1‑
10
‑2Pa，加热炉腔温度至600
‑
800℃，保温15
‑
30min后，加压10
‑
20MPa，并持续保压3
‑
8min，撤掉压力并随炉冷却至室温，制得具有内应力调节功能的铝基复合材料。
[0018]进一步的，上述步骤(1)中的超声振荡时间为2
‑
3h。
[0019]进一步的，上述步骤(3)中石墨模具内壁涂有氮化硼保护层。
[0020]进一步的，上述的碳纤维为碳纤维束或碳纤维布。
[0021]进一步的，上述的铝片为任意型号的铝及其合金。
[0022]上述制备方法制得的具有内应力调节功能的铝基复合材料。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0024]本专利技术在碳纤维表面涂覆了一层刺状的铜/碳纳米管复合涂层，对铝基体进行了硫酸溶液的腐蚀处理。本专利技术的制备过程中，在电镀液中加入了聚乙烯亚胺，同时提供了特定的电镀工艺条件。聚乙烯亚胺不仅能够起到分散碳纳米管的作用，而且能够附着在碳纳米管表面吸附铜离子，使铜离子包裹在碳纳米管周围，而在本专利技术电镀工艺条件控制下，铜离子会驮着碳纳米管向碳纤维表面移动，并相接在碳纤维表面，最终形成刺状的铜/碳纳米管复合涂层。
[0025]刺状的铜/碳纳米管复合涂层在碳纤维束丝之间可形成更多的通道，同时硫酸溶液的处理能够消除铝基体表面氧化膜对铝液流动性的影响，这样在铝基复合材料制备过程中，铝液能够快速充分地浸渗到纤维束丝中，与碳纤维表面涂层接触并发生均匀的扩散反应，使涂层中的碳纳米管均匀分布在复合材料界面周围，该特殊结构的涂层不仅提高了碳纤维与铝基体之间的润湿性，而且抑制了两者间严重的界面反应，更重要的是能够对铝基复合材料的内应力起到调节作用，即使在纤维界面处有较多析出相生成，也不会出现低应力破坏，表现出优异的机械性能和安全可靠性，这为铝基复合材料在工业装备中应用提供
了保障。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的铝基复合材料制备方法的流程示意图；
[0027]图2为实施例中获得的碳纤维表面刺状铜/碳纳米管复合涂层的扫描电子显微镜图。
[0028]图3为实施例中获得的具有内应力调节功能的铝基复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有内应力调节功能的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤(1)调配电镀刺状铜/碳纳米管复合涂层电镀液：将硫酸铜、硫酸、葡萄糖、焦磷酸铜、聚乙烯亚胺放入蒸馏水中，机械搅拌15
‑
30min，得到化学试剂溶液，其中化学试剂浓度分别为硫酸铜：150
‑
300g/L；硫酸：40
‑
70g/L；葡萄糖：20
‑
50g/L；焦磷酸铜：40
‑
90g/L；聚乙烯亚胺：2
‑
4g/L；再将碳纳米管加入溶液中，使其浓度为0.5
‑
1g/L，通过超声振荡使碳纳米管均匀分散，制得电镀刺状铜/碳纳米管复合涂层电镀液；(2)在碳纤维表面电镀刺状铜/碳纳米管复合涂层：将步骤(1)所调配的复合涂层电镀液置于电镀槽中，在恒定电流条件下对碳纤维实施电镀，得到表面涂覆复合涂层的碳纤维所述电镀的工艺参数为：电流密度为150
‑
400mA/dm2，温度为5
‑
40℃，电镀时间为3
‑
7min；(3)碳纤维与铝片铺层叠设：将步骤(2)得到的碳纤维与预处理过的铝片在石墨模具中依次铺层叠加起来，所述碳纤维与铝片的体积比为4:16
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕钊钊，董晟全，刘娇，马智恩，肖泽元，聂松，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：