一种碳纤维表面金属铝涂层的制备装置及方法与流程

本发明属于表面涂层制备装置技术领域，具体涉及一种碳纤维表面金属铝涂层的制备装置及方法。

背景技术：

碳纤维是一种含碳量95％以上的低密度、高强度、高模量比的新型纤维材料，具有良好的耐磨性、耐热性、导电性、润滑性和耐酸碱性，是一种极具发展潜力和广阔应用前景的增强体材料。其复合材料被广泛地应用于航空航天、机械工程以及生物陶瓷等领域。但是，在利用碳纤维增强金属基复合材料时由于纤维和基体金属的润湿性、化学相容性差，所以限制了它的应用。因此，为改善碳纤维和基体金属之间的结合性能，综合提高碳纤维的强韧效果，一种行之有效的方法就是对碳纤维进行表面金属化处理。

目前，对于碳纤维表面金属涂层的制备，最常见的方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、电镀及化学镀等。其中，物理、化学气相沉积所需设备昂贵、操作复杂、涂层制备时间长、能耗大，而电镀、化学镀法对被镀涂层金属活泼性又有严格的要求，特别是在碳纤维表面制备金属铝涂层时，电镀及化学镀法不能有效地解决以下问题：1)制备铝涂层时需要将基体较长时间浸渍于高温熔盐中，对碳纤维力学性能损伤大；2)铝涂层的厚度及均匀性难以有效控制；3)无法实现碳纤维表面铝涂层的连续制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种碳纤维表面金属铝涂层的制备装置及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过控制纤维的拉丝速度和熔料铝液的挤出压力可以实现碳纤维表面快速、连续制备铝涂层，减少碳纤维与熔料铝液的接触时间，有效防止碳纤维力学性能的降低；本发明装置结构合理、操作简单、工作效率高、生产质量好。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳纤维表面金属铝涂层的制备装置，包括用于在碳纤维表面成型铝涂层的成型装置，成型装置的下侧设置有用于对包覆铝涂层的碳纤维进行冷却的冷却装置，冷却装置的下侧设置有用于对包覆铝涂层的碳纤维进行收集的收集装置；

所述成型装置包括熔料罐，熔料罐的侧壁上均匀设置有若干供碳纤维通过的轴向通孔，轴向通孔与熔料罐的内部之间设有出料口，轴向通孔与熔料罐的外部之间设有溢料口，熔料罐的顶部设有进料口及加压口。

进一步地，轴向通孔的顶部设有向轴向通孔中通入保护性气体的通气口。

进一步地，轴向通孔与熔料罐的外部之间还设有排气口，且排气口的位置高于溢料口的位置，溢料口的位置高于出料口的位置。

进一步地，熔料罐的外侧设有隔热板。

进一步地，轴向通孔的底部为阶梯状漏斗。

进一步地，所述冷却装置包括冷却室，冷却室中设置有冷却元件，且冷却室上开设有供碳纤维穿过的通孔。

进一步地，所述收集装置包括用于改变包覆铝涂层的碳纤维走向的导向轮以及用于收集包覆铝涂层的碳纤维的辊筒，辊筒的端部设有用于调整拉丝速度的速率调节器和用于显示拉丝速度的速率表。

进一步地，进料口上设有用于对其进行密封的进料螺栓。

进一步地，熔料罐的顶部还设有压力表。

一种碳纤维表面金属铝涂层的制备方法采用上述的一种碳纤维表面金属铝涂层的制备装置，包括以下步骤：

步骤一：检查熔料罐的气密性；

步骤二：将熔融的铝液通过进料口加入到熔料罐中，将碳纤维置于轴向通孔中；

步骤三：打开冷却装置降温至设定温度；

步骤四：调节收集装置，保持碳纤维拉丝速度稳定至5.0-10.0mm/s；

步骤五：通过加压口向熔料罐加压，在0.1MPa-0.5MPa压力下使熔料铝液通过出料口进入到轴向通孔中；

步骤六：在恒定压力下持续向轴向通孔进料，待熔料铝液到达溢料口时自动排出多余熔料，包覆铝涂层的碳纤维依次通过冷却装置和收集装置即完成碳纤维表面金属铝涂层的制备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置结构设计合理，能够实现碳纤维表面熔料铝液的连续浸渍，通过控制熔料罐壁上的轴向通孔数量实现多组碳纤维同时浸渍，工作效率高；装置底部设计的冷却装置，可以实现碳纤维表面铝涂层涂覆完成后快速冷却得到成品，无需其他处理，生产效率高；本发明通过控制纤维的拉丝速度和熔料铝液的挤出压力可以实现碳纤维表面快速、连续制备铝涂层，减少碳纤维与熔料铝液的接触时间，有效防止碳纤维力学性能的降低；本发明装置结构合理、操作简单、工作效率高、生产质量好。

进一步地，轴向通孔顶部设置通气口，用于向轴向通孔中通入保护性气体，以避免熔料铝液与空气发生反应。

进一步地，通过设置排气口排出不断通入的保护气体，避免轴向通孔中压力过大，通过设置溢料口，自动排出多余熔料，防止铝液充满轴向通孔。

进一步地，熔料罐的外侧设有隔热板，防止铝液热量流失。

进一步地，轴向通孔底部设置的阶梯状漏斗可以实现逐层减薄铝涂层并改善涂层表面质量的目的，最终在碳纤维表面获得厚度均匀的铝涂层。

进一步地，通过设置进料螺栓，在进料后将进料口密封，以便控制熔料罐中压力。

本发明方法通过控制纤维的拉丝速度和熔料铝液的挤出压力可以实现碳纤维表面快速、连续制备铝涂层，减少碳纤维与熔料铝液的接触时间，有效防止碳纤维力学性能的降低。

附图说明

图1为本发明碳纤维表面金属铝涂层制备装置的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图。

其中，1-进料螺栓，2-进料口，3-压力表，4-加压口，5-熔料罐，6-隔热板，7-冷却室，8-导向轮，9-辊筒，10-速率表，11-冷却元件，12-出料口，13-溢料口，14-排气口，15-轴向通孔，16-通气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

参见图1至图2，一种碳纤维表面金属铝涂层的制备装置，包括成型装置、冷却装置和收集装置。成型装置包括熔料罐5、隔热板6，熔料罐5的材料为刚玉陶瓷，熔料罐5顶部安装有进料口2、加压口4和压力表3，进料口2处安装有用于封闭进料口2的进料螺栓1，熔料罐5侧壁位置处设置有出料口12、溢料口13和排气口14，且熔料罐5侧壁上均匀设置四个轴向通孔15，出料口12处安装有阀门，出料口12在侧壁均匀分布且和轴向通孔15相通，轴向通孔15接近熔料罐5底部位置为阶梯状漏斗，轴向通孔15上端设置有通气口16及密封圈；隔热板6包裹在熔料罐5桶壁外侧和底部，且在隔热板6上开有溢料流道和排气道，溢料口13位置高于出料口12位置且和隔热板6上溢料流道相通，排气口14位置高于溢料口13位置且和隔热板6上排气道相通，用于排出在轴向通孔15中通入的保护气体；冷却装置包括冷却室7和制冷元件11，冷却装置下方安装有导向轮8，用于改变纤维走向；在水平方向设置有纤维收集辊筒9，辊筒9端部安装有速率调节器及速率表10，用于调整拉丝速度，辊筒9主要用于收集冷却后的铝涂层碳纤维。

一种碳纤维表面金属铝涂层的制备方法，包含以下步骤：

(1)关闭出料口12处阀门或封堵出料口12，通过先加压、后保压的方式检查熔料罐5的气密性；

(2)将熔融的铝液通过进料口2缓慢加入到熔料罐5中，添加熔融铝液达到熔料罐5体积的三分之二后停止加料，拧紧进料螺栓1；

(3)打开冷却元件11开关，使冷却室7制冷到设定温度后保持温度不变；

(4)观察速率表10调节速率调节器，保持纤维拉丝速度稳定至5.0-10.0mm/s；

(5)通过通气口16向熔料罐5侧壁轴向通孔15中通入保护性氩气；

(6)打开出料口12处阀门，通过加压口4向熔料罐5加压，在0.1MPa-0.5MPa压力下使熔料铝液通过出料口12进入到轴向通孔15中；

(7)在恒定压力下持续向轴向通孔15中进料，待熔料铝液达到一定高度后溢料口13自动排出多余熔料，防止铝液充满轴向通孔15；装置通过边进料边拉丝方式在碳纤维表面制备铝涂层，轴向通孔15底部的阶梯状漏斗用于逐层排除碳纤维表面多余熔料铝液，有效控制铝涂层厚度。

下面结合实施例对本发明的实施过程作进一步详细说明：

实施例1

(1)关闭熔料罐5底部出料口12处的阀门或封堵出料口12，通过加压口4向熔料罐5中先加压、后保压，观察压力表3变化情况，以此检查装置的气密性；

(2)待装置的气密性检查完成后，通过进料口2向熔料罐5中加入一定量(体积为熔料罐5的三分之二)的熔料铝液，之后拧紧进料螺栓1；

(3)打开冷却元件11的开关，设定冷却室7温度为0℃；

(4)待冷却环境达到设定温度后，打开辊筒9的速率调节器，设定碳纤维的拉丝速度为5.0mm/s，缓慢增加拉丝速度，使其稳步达到设定速度值；

(5)待纤维丝速度稳定、不发生晃动后，通过熔料罐5侧壁轴向通孔15上端的通气口16，向其中通入保护性氩气，并维持氩气流稳定；

(6)观察压力表3，并通过加压口4向熔料罐5中加压，使熔料罐5中的压力值始终维持在0.5MPa；

(7)观察溢料口13，当其中有熔料铝液溢出时，缓慢调整熔料罐5中压力为0.3MPa，并维持此压力稳定；

(8)在上述步骤中设置的压力和拉丝速度下进行碳纤维表面铝涂层的熔覆、冷却，完成涂层的制备及收集。

实施例2

(1)关闭熔料罐5底部出料口12处的阀门或封堵出料口12，通过加压口4向熔料罐5中先加压、后保压，观察压力表3变化情况，以此检查装置的气密性；

(2)待装置的气密性检查完成后，通过进料口2向熔料罐5中加入一定量(体积为熔料罐5的三分之二)的熔料铝液，之后拧紧进料螺栓1；

(3)打开冷却元件11的开关，设定冷却室7温度为0℃；

(4)待冷却环境达到设定温度后，打开辊筒9的速率调节器，设定碳纤维的拉丝速度为8.0mm/s，缓慢增加拉丝速度，使其稳步达到设定速度值；

(5)待纤维丝速度稳定、不发生晃动后，通过熔料罐5侧壁轴向通孔15上端的通气口16，向其中通入保护性氩气，并维持氩气流稳定；

(6)观察压力表3，并通过加压口4向熔料罐5中加压，使熔料罐5中的压力值始终维持在0.5MPa；

(7)观察溢料口13，当其中有熔料铝液溢出时，缓慢调整熔料罐5中压力为0.2MPa，并维持此压力稳定；

(8)在上述步骤中设置的压力和拉丝速度下进行碳纤维表面铝涂层的熔覆、冷却，完成涂层的制备及收集。

实施例3

(1)关闭熔料罐5底部出料口12处的阀门或封堵出料口12，通过加压口4向熔料罐5中先加压、后保压，观察压力表3变化情况，以此检查装置的气密性；

(2)待装置的气密性检查完成后，通过进料口2向熔料罐5中加入一定量(体积为熔料罐5的三分之二)的熔料铝液，之后拧紧进料螺栓1；

(3)打开冷却元件11的开关，设定冷却室7温度为0℃；

(4)待冷却环境达到设定温度后，打开辊筒9的速率调节器，设定碳纤维的拉丝速度为10.0mm/s，缓慢增加拉丝速度，使其稳步达到设定速度值；

(5)待纤维丝速度稳定、不发生晃动后，通过熔料罐5侧壁轴向通孔15上端的通气口16，向其中通入保护性氩气，并维持氩气流稳定；

(6)观察压力表3，并通过加压口4向熔料罐5中加压，使熔料罐5中的压力值始终维持在0.5MPa；

(7)观察溢料口13，当其中有熔料铝液溢出时，缓慢调整熔料罐5中压力为0.1MPa，并维持此压力稳定；

(8)在上述步骤中设置的压力和拉丝速度下进行碳纤维表面铝涂层的熔覆、冷却，完成涂层的制备及收集。