专利名称：一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法，属有色金属复合材料制备及应用的技术领域。
背景技术：
镁及镁合金是当今世界应用和发展最快的有色金属材料，镁合金具有高比強度、高比刚度、高弹性模量及优良的抗震减噪性和良好的鋳造性，但也存在強度低、塑性差、耐腐蚀性差及易燃等缺陷，也极大的影响了镁及镁合金的应用。金属基复合材料是ー种新型的材料，既具备金属的特性，又可提高材料的力学性能，例如较高的硬度、強度、韧性、耐高温及导电导热性能，目前，最常用的金属基复合材料是铝、镁轻金属复合材料。碳纤维是由碳元素组成的特种纤维，具有重量轻、纤度好、抗拉强度高等特点，同时还具有耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等特性，可与金属材料结合，制成金属基复合材料。目前，对于碳纤维增强金属基复合材料的制备，主要存在碳纤维与金属润湿性差、易反应生成脆性化合物、损伤碳纤维等问题，常采用对纤维表面处理和涂覆，或者是通过压力铸造来实现。
发明内容
发明目的本发明目的是针对背景技术的状況，采用镁合金板与碳纤维、镁锌铝共晶合金粉结合制成镁基多层复合板，以大幅度提高镁基复合板的強度、刚度，并扩大镁基复合板的使用范围。技术方案本发明使用的化学物质材料为镁合金板、碳纤维布、镁块、铝块、锌块、去离子水、丙酮、氩气、砂纸，其组合准备用量如下以毫米、克、毫升、厘米3为计量単位 镁合金板AZ3150mmx50mmx0.5mm 3 块
碳纤维布50mmx50mmx0.15mm 2 块
镁块Mg15,40g±0.01g
铝块Al0.35g±0.01 g
锌块Zn17.43g 土 O.Olg
去离子水H2O2000ml±20ml
丙酮C3H6OIOOOml ±5ml
氩气Ar40000cm3±100 cm3
砂纸碳化硅 600 目200mmx200mmx0.5mm I 张制备方法如下(I)精选化学物质材料对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制；镁合金板固态固体碳纤维布固态固体含碳量ミ95%镁块固态固体99.0%铝块固态固体99.0%锌块固态固体99.0%去离子水液态液体99.9%丙酮液态液体99.9%氩气气态气体99.99%砂纸固态固体(2)制备镁锌铝共晶合金粉制备镁锌铝共晶合金粉是在感应熔炼炉中进行的；①将镁块15. 40g±0. Olg、锌块 17. 43g±0. Olg、铝块O. 35g±0. Olg置于感应熔炼炉内的坩埚中；②抽取炉内空气，使炉内气压彡IPa，然后输入氩气，氩气输入速度为80cm3/min，使炉内压强保持在I个大气压；③开启感应熔炼炉加热器，使炉内温度升温至360°C ±2°C，在此温度恒温、保温、熔炼5min±lmin，然后停止加热，使其随炉冷却至25°C，然后取出镁锌铝共晶合金锭；④将镁锌铝共晶合金锭机械切割成镁锌铝共晶合金块；⑤将镁锌铝共晶合金块置于粉碎机内粉碎，然后用140目筛网过筛，粉碎、过筛反复进行，成镁锌铝共晶合金粉，粉体颗粒直径< O. 109mm ；
(3)制备通槽开合式模具通槽开合式模具呈矩形筒状，模具型腔尺寸为50mmX 50mmX 500mm,用不锈钢材料制作，型腔表面粗糙度为RaO. 16-0. 32 μ m ;(4)处理碳纤维布①将2块碳纤维布放入真空热处理炉中，先抽取炉内空气，使炉内气压< IPa，然后输入氩气，氩气输入速度为80cm3/min，使炉内压强保持在I个大气压，然后加热至6000C ±5°C，恒温保温30min±lmin，然后停止加热，随炉冷却至25°C取出；②将热处理后的碳纤维布置于烧杯中，用200ml丙酮清洗，清洗后晾干；(5)压制碳纤维增强镁基复合层板 制备碳纤维增强镁基复合层板是在加热振动压カ机上进行的，是在通槽开合式模具内，在加热、振动、压カ状态下完成的；①将通槽开合式模具垂直安装在压カ机的振动工作台上；②将下电阻加热器垂直安装在通槽开合式模具底部，平面部向上，并接通加热电源；③在下电阻加热器的平面上置放镁合金板，在镁合金板上用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉O. 35g±0. Olg,厚度O. 2mm±0. 05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部平整铺设I块碳纤维布，在碳纤维布上部用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉O. 35g±0. Olg，厚度O. 2mm±0. 05mm，在镁锌铝共晶合金粉上部置放镁合金板，然后再用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉O. 35g±0. Olg,厚度O. 2mm±0. 05mm，在镁锌铝共晶合金粉上部平整铺设I块碳纤维布，在碳纤维布上部用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉O. 35g±0. Olg，厚度O. 2mm±0. 05mm,在镁锌招共晶合金粉上部置放镁合金板,在镁合金板上部垂直置放上电阻加热器，并接通加热电源，平面部压在镁合金板上，在上电阻加热器上部置放上压块，在上压块上由压カ机压头压住，压头连接压カ电机；④开启上下电阻加热器，加热温度均为360°C ±5°C ；⑤开启压カ电机，使压カ电机压强逐渐增至5MPa ；⑥开启振动工作台，振动频率为3000次/min，加热、加压、振动时间为30min + 2min ；⑦在加热、加压、振动过程中，各层间的空气排出，镁锌铝共晶合金粉熔化、粘合，成层状结构；⑧关闭上、下电阻加热器，关闭压カ电机，振动工作台停止振动，使层状复合板趁热立即转入轧制；⑨打开通槽开合式模具，拉升上电阻加热器，取出层状复合板，即镁基复合层板；(6)轧制碳纤维增强镁基复合层板碳纤维增强镁基复合层板的轧制是在辊轧机上进行的，是在上、下轧辊相向转动下完成的；①将镁基复合层板置于上轧辊和下轧辊之间，正面送料、反面出料，调整好轧制变形尺寸，调整好上轧辊和下轧辊的转动方向和速度，上轧辊转动方向为顺时针，下轧辊转动方向为逆时针；②开启上轧辊、下轧辊，使其同步转动，镁合金复合层板由正面送进，反面轧出，轧制速度为100mm/s,轧制道次为I道次,轧制后为碳纤维增强镁基复合板；(7)低温回火处理将碳纤维增强镁基复合板置于热处理炉中，进行低温回火处理，回火温度1500C ±5°C，回火时间120min±5min ;回火后，停止加热，使其随炉冷却至25°C ；(8)修正切边，表面处理①将低温回火处理的 碳纤维增强镁基复合板置于平板上，用机械切边，成方形；②用砂纸打磨复合板表面及周边，使表面光洁；(9)检测、化验、分析、表征对制备的碳纤维增强镁基复合板的形貌、色泽、化学成分、金相组织、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；用金相显微镜和扫描电子显微镜及X射线能谱仪进行显微组织观察和化学成分分析；用X射线衍射仪进行层间物相分析；用电子万能试验机进行结合強度测试；结论碳纤维增强镁基复合板为5层结构，即镁合金板层+碳纤维层+镁合金板层+碳纤维层+镁合金板层，镁锌铝共晶合金粉在加热、振动、加压过程中浸润碳纤维层；碳纤维增强镁合金复合板界面抗拉强度为20MPa ；(10)包装储存对制备的碳纤维增强镁基复合板用软质材料包装，储存于干燥、洁净环境，要防潮、防氧化、防酸碱盐侵蚀，储存温度20°C ±2°C，相対湿度< 10%。有益效果本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对镁合金板強度低、耐磨性差的实际情况，在加热和振动的压力机上进行压制，然后在辊轧机上进行轧制，在镁合金板中间加填碳纤维布、镁锌铝共晶合金粉，在加热360°C ±5°C、压强5MPa，振动频率3000次/min下热压，然后轧制成碳纤维增强镁基复合板，成5层结构，镁锌铝共晶合金粉浸润碳纤维布，与镁合金板形成浆料结合，复合板界面抗拉强度为20MPa，组织结构更加致密，镁锌铝共晶合金粉为熔合剂，加热状态下形成共晶液，在振动、热压、轧制下，共晶液与镁合金板粘接结合，本エ艺方法先进合理，利于エ业化生产，是十分理想的制备碳纤维增强镁基复合板的方法。
图I为碳纤维增强镁基复合层板压制状态2为碳纤维增强镁基复合板轧制成型状态3为碳纤维增强镁基复合板横截面显微组织形貌4为碳纤维增强镁基复合板界面断ロ X射线衍射图谱图中所示、附图标记清单如下I、压カ机，2、底座,3、顶座,4、压カ电机,5、升降手柄,6、压头,7、左立柱,8、右立柱，9、振动工作台，10、上压块，11、开合式模具，12、开合架，13、下电阻加热器，14、上电阻加热器，15、第一共晶合金粉层，16、第二共晶合金粉层，17、第一镁合金板，18、第二镁合金板，19、第一碳纤维布，20、电控箱，21、显示屏，22、指示灯，23、电源开关，24、压カ电机开关，25、上电阻加热调控器，26、下电阻加热调控器，27、振动工作台调控器，28、导线，29、上轧辊转数调控器，30、下轧辊转数调控器，31、上轧辊，32、下轧辊，33、上连轴器，34、下连轴器，35、上变频电机，36、下变频电机，37、电机座，38、导线，39、镁基复合板，40、上下轧辊距离调控器，41、调整手柄，42、辊轧机，43、左立梁，44、右立梁，45、机顶座，46、显示屏，47、指示灯，48、电源开关,49、第二碳纤维布,50、第三镁合金板,51、第三共晶合金粉层，52、第四共晶合金粉层。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进ー步说明 图I所示，为碳纤维增强镁基复合层板压制状态图，各部位置、联接关系要正确，安装牢固，按量配制，按序操作。制备使用的化学物质的量值，是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、毫米、厘米
3为计量单位。制备碳纤维增强镁基复合层板是在压カ机上，在加热、振动、加压状态下进行的，压カ机I为立式，下部为底座2，左右部垂直设置左立柱7、右立柱8，在左右立柱7、8上部为顶座3，在顶座3上部设有压カ电机4 ;在底座2上部设置振动工作台9，在振动工作台9上垂直安装开合式模具11，并由4个开合架12调整固定；在开合式模具11的内底部安装下电阻加热器13，在下电阻加热器13上部的平面上置放第一镁合金板17，在第一镁合金板17上部均匀喷涂第一共晶合金粉层15，在第一共晶合金粉层15上部平整置放第一碳纤维布19，在第一碳纤维布19上部均匀喷涂第二共晶合金粉层16，在第二共晶合金粉层16上部置放第二镁合金板18，在第二镁合金板18上部均匀喷涂第三共晶合金粉层51，在第三共晶合金粉层51上部平整置放第二碳纤维布49，在第二碳纤维布49上部均匀喷涂第四共晶合金粉层52,在第四共晶合金粉层52上部置放第三镁合金板50,在第三镁合金板50上部垂直安装上电阻加热器14，在上电阻加热器14上垂直置放上压块10，上压块10上部由压头6压住，压头6联接上部的压カ电机4，压头6的上下调整距离由侧部的升降手柄5调整；在压カ机I的左侧部设有电控箱20，在电控箱20上设有显示屏21、指示灯22、电源开关23、电机开关24、上电阻加热调控器25、下电阻加热调控器26、振动工作台调控器27，电控箱20与压カ电机4、振动工作台9、下电阻加热器13、上电阻加热器14通过导线28联接。图2所示，为碳纤维增强镁基复合板轧制成型状态图，碳纤维镁基复合板的轧制是在辊轧机上进行的，辊轧机为立式，辊轧机42的下部为控制台，在控制台的上部分左右设立左立梁43、右立梁44，上部与机顶座45联接，在左立梁43、右立梁44之间设有上轧辊31、下轧辊32，上轧辊31右部联接上连轴器33、上变频电机35，下轧辊32右部联接下连轴器34、下变频电机36，上、下变频电机35、36均安装在电机座37上；在左立梁43上设有调整手柄41 ;在上轧辊31、下轧辊32之间置放镁基复合板39 ;在辊轧机42上的控制台上设有显示屏46、指示灯47、电源开关48、上辊轧转数调控器29、下轧辊转数调控器30、上下距离调控器40，控制台与上、下变频电机35、36通过导线38联接。图3所示，为碳纤维增强镁基复合板横截面显微组织形貌图，图中可见整个截面分为5层,包括3层镁合金板层和2层碳纤维层,碳纤维层位于镁合金板层之间,其中碳纤维层为80 μ m，呈经纬交叉状，碳纤维与镁合金呈现良好的润湿结合，同时在碳纤维层中仍残留一些扩散不充分的共晶及近共晶合金组织；碳纤维增强镁基复合板中碳纤维布可以为2层，也可以为多层，视需要确定；镁合金板、碳纤维布的尺寸可増大可縮小，视需要确定。
图4所示，为碳纤维增强镁基复合板层界面断ロ X射线衍射图谱，由图中分析可知 界面断ロ处主要为α-Mg相、MgZn相和C，图中无含Al相的衍射峰出现，表明Al已固溶进α -Mg相中。
权利要求
1.一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法，其特征在于本发明使用的化学物质材料为镁合金板、碳纤维布、镁块、铝块、锌块、去离子水、丙酮、氩气、砂纸，其组合准备用量如下以毫米、克、毫升、厘米3为计量単位 镁合金板AZ3150mm><50mmx0.5mm 3 块 碳纤维布50mmx50mm><0.15mm 2 块 镁块Mg15.40g ±0.01 g 铝块Al0.35g±0.01 g 锌块Zn17.43g±0.01g 去离子水H2O2000ml士20ml 丙酮C3H6O1000ml ±5ml 氣气Ar40000cm3±100 cm3 砂纸碳化娃 600 目200mmx200mmx0.5mm I 张 制备方法如下 (1)精选化学物质材料 对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制； 镁合金板固态固体 碳纤维布固态固体含碳量> 95% 镁块固态固体99. 0% 铝块固态固体99. 0% 锌块固态固体99. 0% 去离子水液态液体99. 9% 丙酮液态液体99. 9% 氩气气态气体99. 99% 砂纸固态固体 (2)制备镁锌铝共晶合金粉 制备镁锌铝共晶合金粉是在感应熔炼炉中进行的； ①将镁块15.40g±0. Olg、锌块17. 43g±0. Olg、铝块0. 35g±0. Olg置于感应熔炼炉内的坩埚中； ②抽取炉内空气，使炉内气压<IPa,然后输入！！气,気气输入速度为80c m3/min,使炉内压强保持在I个大气压； ③开启感应熔炼炉加热器，使炉内温度升温至360°C±2°C，在此温度恒温、保温、熔炼5min±lmin，然后停止加热，使其随炉冷却至25°C，然后取出镁锌铝共晶合金锭；④将镁锌铝共晶合金锭机械切割成镁锌铝共晶合金块； ⑤将镁锌铝共晶合金块置于粉碎机内粉碎，然后用140目筛网过筛，粉碎、过筛反复进行，成镁锌铝共晶合金粉，粉体颗粒直径< 0. 109mm ； (3)制备通槽开合式模具 通槽开合式模具呈矩形筒状，模具型腔尺寸为50mmX50mmX500mm,用不锈钢材料制作，型腔表面粗糙度为RaO. 16-0. 32um ； (4)处理碳纤维布 ①将2块碳纤维布放入真空热处理炉中，先抽取炉内空气，使炉内气压<IPa，然后输入氩气，氩气输入速度为80cm3/min，使炉内压强保持在I个大气压，然后加热至6000C ±5°C，恒温保温30min±lmin，然后停止加热，随炉冷却至25°C取出； ②将热处理后的碳纤维布置于烧杯中，用200ml丙酮清洗，清洗后晾干； (5)压制碳纤维增强镁基复合层板 制备碳纤维增强镁基复合层板是在加热振动压カ机上进行的，是在通槽开合式模具内，在加热、振动、压カ状态下完成的； ①将通槽开合式模具垂直安装在压カ机的振动工作台上； ②将下电阻加热器垂直安装在通槽开合式模具底部，平面部向上，并接通加热电源； ③在下电阻加热器的平面上置放镁合金板，在镁合金板上用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0. 35g±0. Olg,厚度0. 2mm±0. 05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部平整铺设I块碳纤维布，在碳纤维布上部用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0. 35g±0.01g，厚度0.2mm±0. 05mm，在镁锌铝共晶合金粉上部置放镁合金板，然后再用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0. 35g±0. Olg,厚度0. 2mm±0. 05mm,在镁锌铝共晶合金粉上部平整铺设I块碳纤维布，在碳纤维布上部用喷粉器均匀喷洒镁锌铝共晶合金粉0. 35g±0.01g，厚度0.2mm±0. 05mm,在镁锌招共晶合金粉上部置放镁合金板,在镁合金板上部垂直置放上电阻加热器，并接通加热电源，平面部压在镁合金板上，在上电阻加热器上部置放上压块，在上压块上由压カ机压头压住，压头连接压カ电机； ④开启上下电阻加热器，加热温度均为360°C±5°C ； ⑤开启压カ电机，使压カ电机压强逐渐增至5MPa； ⑥开启振动工作台，振动频率为3000次/min，加热、加压、振动时间为30min±2min； ⑦在加热、加压、振动过程中，各层间的空气排出，镁锌铝共晶合金粉熔化、粘合，成层状结构； ⑧关闭上、下电阻加热器，关闭压力电机，振动工作台停止振动，使层状复合板趁热立即转入轧制； ⑨打开通槽开合式模具，拉升上电阻加热器，取出层状复合板，即镁基复合层板； (6)轧制碳纤维增强镁基复合层板 碳纤维增强镁基复合层板的轧制是在辊轧机上进行的，是在上、下轧辊相向转动下完成的； ①将镁基复合层板置于上轧辊和下轧辊之间，正面送料、反面出料，调整好轧制变形尺寸，调整好上轧辊和下轧辊的转动方向和速度，上轧辊转动方向为顺时针，下轧辊转动方向为逆时针；②开启上轧辊、下轧辊，使其同步转动，镁合金复合层板由正面送进，反面轧出，轧制速度为lOOmm/s，轧制道次为I道次，轧制后为碳纤维增强镁基复合板； (7)低温回火处理 将碳纤维增强镁基复合板置于热处理炉中，进行低温回火处理，回火温度1500C ±5°C，回火时间120min±5min ;回火后，停止加热，使其随炉冷却至25°C ； (8)修正切边，表面处理 ①将低温回火处理的碳纤维增强镁基复合板置于平板上，用机械切边，成方形； ②用砂纸打磨复合板表面及周边,使表面光洁； (9)检测、化验、分析、表征 对制备的碳纤维增强镁基复合板的形貌、色泽、化学成分、金相组织、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征； 用金相显微镜和扫描电子显微镜及X射线能谱仪进行显微组织观察和化学成分分析； 用X射线衍射仪进行层间物相分析； 用电子万能试验机进行结合強度测试； 结论碳纤维增强镁基复合板为5层结构，即镁合金板层+碳纤维层+镁合金板层+碳纤维层+镁合金板层，镁锌铝共晶合金粉在加热、振动、加压过程中浸润碳纤维层；碳纤维增强镁合金复合板界面抗拉强度为20MPa ； (10)包装储存 对制备的碳纤维增强镁基复合板用软质材料包装，储存于干燥、洁净环境，要防潮、防氧化、防酸碱盐侵蚀，储存温度20°C ±2°C，相対湿度彡10%。
2.根据权利要求I所述的ー种碳纤维增强镁基复合板的制备方法，其特征在于制备碳纤维增强镁基复合板是在压力机上，在加热、振动、加压状态下进行的，压カ机(I)为立式，下部为底座2，左右部垂直设置左立柱(7)、右立柱(8)，在左右立柱(7、8)上部为顶座(3)，在顶座(3)上部设有压カ电机(4);在底座(2)上部设置振动工作台(9)，在振动工作台(9)上垂直安装开合式模具(11)，并由4个开合架(12)调整固定；在开合式模具(11)的内底部安装下电阻加热器(13)，在下电阻加热器(13)上部的平面上置放第一镁合金板(17),在第一镁合金板(17)上部均勻喷涂第一共晶合金粉层(15),在第一共晶合金粉层(15)上部平整置放第一碳纤维布(19)，在第一碳纤维布(19)上部均匀喷涂第二共晶合金粉层(16),在第二共晶合金粉层(16)上部置放第二镁合金板(18),在第二镁合金板(18)上部均匀喷涂第三共晶合金粉层(51)，在第三共晶合金粉层(51)上部平整置放第二碳纤维布(49)，在第二碳纤维布(49)上部均匀喷涂第四共晶合金粉层(52)，在第四共晶合金粉层(52)上部置放第三镁合金板(50),在第三镁合金板(50)上部垂直安装上电阻加热器(14)，在上电阻加热器(14)上垂直置放上压块(10)，上压块(10)上部由压头(6)压住，压头(6)联接上部的压カ电机(4)，压头￠)的上下调整距离由侧部的升降手柄(5)调整；在压カ机(I)的左侧部设有电控箱(20)，在电控箱(20)上设有显示屏(21)、指示灯(22)、电源开关(23)、电机开关(24)、上电阻加热调控器(25)、下电阻加热调控器(26)、振动工作台调控器(27)，电控箱(20)与压カ电机(4)、振动工作台(9)、下电阻加热器(13)、上电阻加热器(14)通过导线(28)联接。
3.根据权利要求I所述的ー种碳纤维增强镁基复合板的制备方法，其特征在于 碳纤维镁基复合板的轧制是在辊轧机上进行的，辊轧机为立式，辊轧机(42)的下部为控制台，在控制台的上部分左右设立左立梁(43)、右立梁(44)，上部与机顶座(45)联接，在左立梁(43)、右立梁(44)之间设有上轧辊(31)、下轧辊(32)，上轧辊(31)右部联接上连轴器(33)、上变频电机(35)，下轧辊(32)右部联接下连轴器(34)、下变频电机(36)，上、下变频电机(35、36)均安装在电机座(37)上；在左立梁(43)上设有调整手柄(41);在上轧 辊(31)、下轧辊(32)之间置放镁基复合板(39);在辊轧机(42)上的控制台上设有显示屏(46)、指示灯(47)、电源开关(48)、上辊轧转数调控器(29)、下轧辊转数调控器(30)、上下距离调控器(40)，控制台与上、下变频电机(35、36)通过导线(38)联接。
全文摘要
本发明涉及一种碳纤维增强镁基复合板的制备方法，是针对镁合金板强度低、耐磨性差的实际情况，在两镁合金板之间加填碳纤维布、镁锌铝共晶合金粉，在加热360℃、压强5MPa，振动频率3000次/min下，压制成碳纤维增强镁基复合层状板，然后在辊轧机进行轧制，制成碳纤维增强镁基复合板，复合板为5层结构，镁锌铝共晶合金粉浸润碳纤维布，与镁合金板形成浆料结合，复合板界面抗拉强度达20MPa，金相组织结构更加致密，此制备方法工艺先进合理，量值数据详实准确，利于工业化生产，是十分理想的制备碳纤维增强镁基复合板的方法。
文档编号B32B37/10GK102658703SQ20121012060
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者刘沈阳, 张建军, 李线绒, 梁伟, 池成忠, 赵兴国 申请人:太原理工大学