专利名称：一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及复合材料制备领域，具体涉及一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
碳纤维由分解温度低于熔融温度的纤维聚合而成，石油产品和化纤经特殊处理制成。碳纤维密度仅仅1.85g/cm3，而强度可达7000Mpa左右，比一般铝合金强度高10倍。在比强度和比模量方面，比其它高性能纤维高的多。碳纤维的成分中碳含量在90%左右，力学性能优良。即使在2000°C以上高温惰性气氛下，碳纤维的强度仍不下降。在这一点上，没有任何一种材料能与它相比。此外，碳纤维还具有其他多种优良性能:低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高振动衰减性、低的热膨胀系数、导电导热性。在金属基体中加入质量分数为3% 5%高性能纤维作为复合材料的主要承载体，能大大提高复合材料的比强度。20世纪70年代的设计出的铝基复合材料，具有较低的热膨胀系数，较高导热率、耐高温、较高的抵抗磨损性能、抗拉强度、屈服强度等力学性能比一般金属高、大部分性能通过优化成分和热处理工艺可在一定范围内变化等特点，在航空航天部门中一直很受青睐。近几年，航空航天技术迅速发展，飞机上用的传统结构材料，如铝、钛、钢、镁等合金已经满足不了新性能的要求。用一件最轻的“外衣”披在飞机身上，逐渐成为世界上制造飞机的一大趋势。对轻质“外衣”要求是:不但能有效克服自身重量与安全的矛盾，在交变载荷作用下不产生疲劳裂纹，而且能够较大幅度降低飞机能量消耗
发明内容
本发明的目的是提供一种密度低、抗拉强度和屈服强度高的碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，该复合材料密度低于2.2g/cm3,抗拉强度达到605MPa，屈服强度达到452MPa。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种碳纤维增强铝基复合材料，所述的复合材料的成分为:按重量百分比:碳纤维4 6% ,Li 1.0 1.3%,Nd 0.7
0.9%，余量为Al，该复合材料密度低于2.2g/cm3，抗拉强度可达到605MPa，屈服强度可达到452MPa。所述的碳纤维为浙青基碳纤维、碳纳米管类或聚丙烯腈类，碳纤维的长度为105nm 4.5mm。上述的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺，包括以下步骤:
1)、将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2)、将步骤I)经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3)、按步骤I)碳纤维预制体总重量的15.67 24倍取混合金属粉，混合金属粉由1.04 1.38%的锂粉、0.73 0.96%的钕粉和97.66 98.23%的铝粉组成，将混合金属粉末加入容器中，加热至1050°C，使金属粉末全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金
属液；
4)、用步骤4)得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s，关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2)抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达
0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5)、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。所述步骤I)的Al2O3涂层中Al2O3的重量为碳纤维总重量的4%。有益效果
(I)、本发明的碳纤维增强铝基复合材料:a、抗拉强度测试:将符合材料制成的Φ20πιπι试样，经过WE-1000A型液压式万能材料试验机测试，加荷速率在26 MPa /s，测出该材料的抗拉强度达到605 Mpa ;b、屈服强度测试:将复合材料制成的长方体试样，经过CMT5504微机控制电子万能试验机，在试样平行长度的应变速率为0.001/s下，测出该材料的屈服强度达到452 Mpa0(2)、本发明的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺简单可行，生产成本较低，对设备要求也较低低，易于工业化连续高效生产。
具体实施例方式一种碳纤维增强铝基 复合材料，所述的复合材料的成分为:按重量百分比:碳纤维4 6%、Li 1.0 1.3%、Nd 0.7 0.9%，余量为铝，该复合材料密度低于2.2g/cm3,抗拉强度达到605MPa，屈服强度达到452MPa。所述的碳纤维为浙青基碳纤维、碳纳米管类或聚丙烯腈类，碳纤维的长度为105nm 4.5mm。上述碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺，包括以下步骤:
1)、将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2)、将步骤I)经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3)、按步骤I)碳纤维预制体总重量的15.67 24倍取混合金属粉，混合金属粉由
1.04 1.38%的锂粉、0.73 0.96%的钕粉和97.66 98.23%的铝粉组成，将混合金属粉末加入容器中，加热至1050°C，使金属粉末全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4)、用步骤4)得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s，关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2)抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5)、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。所述步骤I)的Al2O3涂层中Al2O3的重量为碳纤维总重量的4%。
在制备合金过程中要把握以下主要问题:1要优选原材料，碳纤维应从下列原料中选取:自由浙青类、碳纳米管类或PAN类,而且碳纤维的长度应该在105nm 4.5mm之间，2合金粉加热温度不能低于1050°C，并且保温30min，搅拌均匀，保证三种金属全处于液态，但不能高于1100°C，以避免锂沸腾蒸发；3碳纤维在成形模具中尽可能均匀平铺，以便在成品中均匀分散在复合材料中，使复合材料充分强化。本发明中碳纤维增强铝-锂-钕合金材料的抗拉强度和屈服强度机理为:1碳纤维在外力作用下从铝基合金中贝拉出时，碳纤维与铝基合金相互摩擦而消耗掉一些能量，从而增大了抗拉强度，抗拉强度增大的效果和碳纤维与铝基合金界面滑动阻力有关；2当铝基合金断裂时，碳纤维可承受外力并连接了断开的裂纹，碳纤维并对铝基合金产生力促使裂纹闭合，从而消耗外界载荷，相应的提高材料的屈服强度。稀土元素钕:在元素周期表中属过渡元素,原子量为144.24,熔点1016°C。银色稀土金属，硬而坚韧。在铝基合金中作为变质剂，能够起到净化、细化铝合金晶粒和变质作用。锂:密度最小的碱金属兀素，原子量为6.941,熔点180.54°C,有助于减小复合材料密度。与铝形成AlLi5、A12Li3等几种弥散性强化相，提高合金抗拉强度。以下是本发明的具体实施例:
实施例1
1)、取碳纤维10Kg，将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2)、将步骤I)经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3)、取铝粉186.6Kg、 锂粉2 Kg和钕粉1.4 Kg，将三种金属粉末加入容器中，加热至10500C，使金属全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4)、用步骤4)得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s，关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2)抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5)、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。对制得的复合材料进行测试:
a、抗拉强度测试:将符合材料制成的Φ20mm试样，经过WE-1000A型液压式万能材料试验机测试，加荷速率在26 MPa /s，测出该材料的抗拉强度达到598 Mpa ；
b、屈服强度测试:将复合材料制成的长方体试样，经过CMT5504微机控制电子万能试验机，在试样平行长度的应变速率为0.001/s下，测出该材料的屈服强度达到450Mpa。实施例2
1)、取碳纤维20Kg，将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2)、将步骤I)经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3)、取铝粉307.3Kg、锂粉4.3Kg和钕粉2.4Kg，将三种金属粉末加入容器中，加热至10500C，使金属全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；4)、用步骤4)得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s，关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2)抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达
0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5)、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。实施例3
1)、取碳纤维50Kg，将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂 层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体；
2)、将步骤I)经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上；
3)、取铝粉1175.4Kg、锂粉14.4Kg和钕粉10.2Kg，将三种金属粉末加入容器中，加热至10500C，使金属全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液；
4)、用步骤4)得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为
0.25cm/s，冷却速率为6K/s，关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2)抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达
0.8MPa，在此压力下，合金和碳纤维在成形模具中进行复合；
5)、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。
权利要求
1.一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于:所述的复合材料的成分为:按重量百分比:碳纤维4 6%、Li 1.0 1.3%、Nd 0.7 0.9%，余量为Al，该复合材料密度低于2.2g/cm3，抗拉强度可达到605MPa，屈服强度可达到452MPa。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于:所述的碳纤维为浙青基碳纤维、碳纳米管类或聚丙烯腈类，碳纤维的长度为105nm 4.5_。
3.如权利要求1所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺，其特征在于:包括以下步骤: 1)、将碳纤维制成预制体，并采用溶胶-凝胶法在碳纤维预制体表面进行Al2O3涂层处理，得到表面具有Al2O3薄膜的涂层碳纤维预制体； 2)、将步骤I)经过表面涂层处理的碳纤维预制体放入成形模具中，再将成形模具放入抽真空处理设备中，控制真空度低于50Pa，进行抽真空处理，抽真空处理时间在3min以上； 3)、按步骤I)碳纤维预制体总重量的15.67 24倍取混合金属粉，混合金属粉由1.04 1.38%的锂粉、0.73 0.96%的钕粉和97.66 98.23%的铝粉组成，将混合金属粉末加入容器中，加热至1050°C，使金属粉末全部熔化，保温30min，并搅拌均匀，得到混合金属液； 4)、用步骤4)得到的混合金属液进行连续铸造，在连续铸造过程中，控制浇注速度为0.25cm/s，冷却速率为6K/s，关闭真空阀门，最后经过连续铸造后的合金以固液两相共存状态引入步骤2)抽真空处理过的成形模具中，并向成形模具中充入氩气，使模具内压力达0.8MPa，在此压力下， 合金和碳纤维在成形模具中进行复合； 5)、复合后的成形模具经过冷却、脱模后即得到碳纤维增强铝基复合材料。
4.如权利要求3所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺，其特征在于:所述步骤O的Al2O3涂层中Al2O3的重量为碳纤维总重量的4%。
全文摘要
本发明涉及一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，所述的复合材料的成分为按重量百分比:碳纤维4～6%、Li1.0～1.3%、Nd0.7～0.9%，余量为铝，所述的碳纤维为沥青基碳纤维、碳纳米管类或聚丙烯腈类，碳纤维的长度为105nm～4.5mm。该复合材料密度低于2.2g/cm3，经测试，该材料的抗拉强度达到605Mpa，屈服强度达到452Mpa。
文档编号C22C49/14GK103243280SQ201310153720
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者王维, 李玉芝, 李洛利, 王文焱, 张利军 申请人:河南科技大学