一种碳纤维增强镁基复合材料、制备系统及方法与流程

本发明涉及一种复合材料，具体涉及一种碳纤维增强镁基复合材料、制备系统及方法。属于冶金复合材料技术领域。

背景技术：

碳纤维具有低密度、高强度、高模量、低热膨胀、耐辐射等优良性能，其不仅具有碳材料的力学性能，还具有纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

镁是轻金属之一，具有银白色光泽，略有延展性。虽然纯镁的强度小，但是镁合金是良好的轻型结构材料，在空间技术、航空、汽车和仪表灯工业部门等中广泛应用。与塑料相比，镁合金具有重量轻、比强度高、减振性好、热疲劳性能好、不易老化，又有良好的导热性、电磁屏蔽能力强、非常好的压铸工艺性能，尤其易于回收等优点，是替代钢铁、铝合金和工程塑料的新一代高性能结构材料。

倘若能将碳纤维与镁的优点结合，必能促进其在各种高精尖领域的发展，但是，镁与碳纤维结合性并不理想，影响了所得复合材料的力学性能和抗热冲击性能，限制了其应用领域。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种碳纤维增强镁基复合材料。

本发明还提供了该种碳纤维增强镁基复合材料的制备系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种碳纤维增强镁基复合材料，以质量百分比计，是由以下组分制成的：碳纤维5～8％，碳化硼5～10％，氧化铝5～8％，氧化铅3～5％，氧化锆3～4％，氧化锡1～2％，余量为镁粉。

优选的，是由以下组分制成的：碳纤维6～7％，碳化硼6～9％，氧化铝6～7％，氧化铅4～5％，氧化锆3～4％，氧化锡1～2％，余量为镁粉。

进一步优选的，是由以下组分制成的：碳纤维6％，碳化硼7％，氧化铝6％，氧化铅5％，氧化锆4％，氧化锡1％，余量为镁粉。

优选的，所述碳纤维为T300或T700宇航级。

上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备系统，包括依次连接的混料装置、球磨罐、压制成型装置和烧结炉，混料装置的进料口分别与碳纤维预处理装置和进料装置连接；所述的碳纤维预处理装置包括依次连接的真空热处理炉、浸渍槽、清洗池和烘干装置。

优选的，所述的混料装置、球磨罐、压制成型装置和烧结炉，相邻的装置之间分别设有传送物料的传料带。

优选的，所述混料装置为混料机。

优选的，所述球磨罐由球磨机驱动球磨。

优选的，所述压制成型装置为粉末成型机。

优选的，所述进料装置为进料漏斗。

优选的，所述浸渍槽中盛有丙酮。

优选的，所述清洗池的上方设有喷淋去离子水的若干个喷淋头。

优选的，所述烘干装置为真空干燥箱。

上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)碳纤维的预处理：将碳纤维置于真空热处理炉，在2～3Pa条件下，500～600℃加热15～20分钟，停止加热，冷却至25℃，然后送入浸渍槽内利用丙酮浸泡2小时，转移至清洗池中用去离子水淋洗，晾干，之后烘干，备用；

(2)将配方量的碳化硼、氧化铝、氧化铅、氧化锆、氧化锡和镁粉依次通过进料装置加入到混料装置，然后将步骤(1)预处理后的碳纤维转移至混料装置，将所有物料混合均匀；

(3)送入球磨罐，将球磨罐置于球磨机上，进行球磨，球磨速度为400r/min，球磨时间为20～30分钟，得细粉；

(4)将细粉送入压制成型装置，在600～800MPa的压力下压制成型，得坯材；

(5)将坯材转移至烧结炉，在2～3MPa条件下，900～1000℃烧结2～3小时，之后冷却至25℃，即得。

本发明的有益效果：

本发明以镁为主，另外添加了碳纤维、碳化硼、氧化铝、氧化铅、氧化锆和氧化锡等成分，将各组分混匀后，球磨处理得细粉，然后压制成型得到坯材，最后烧结得到碳纤维增强镁基复合材料。

经测试，本发明的复合材料拉伸强度170MPa以上，弯曲强度和压缩强度在210MPa以上，在2100℃有氧环境下质量损失仅为10^-5g/cm²s量级，具有力学性能好和抗热冲击性能佳等优点。

本发明的制备系统结构简单，可实现连续生产，大大提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明的制备系统结构示意图；

其中，1为碳纤维预处理装置，2为混料装置，3为球磨罐，4为压制成型装置，5为烧结炉，6为进料装置，11为真空热处理炉，12为浸渍槽，13为清洗池，14为烘干装置，15为喷淋头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

一种碳纤维增强镁基复合材料，以质量百分比计，是由以下组分制成的：碳纤维(T300宇航级)5％，碳化硼5％，氧化铝5％，氧化铅3％，氧化锆3％，氧化锡1％，余量为镁粉。

如图1所示，上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备系统，包括依次连接的混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，混料装置2的进料口分别与碳纤维预处理装置1和进料装置6连接；所述的碳纤维预处理装置1包括依次连接的真空热处理炉11、浸渍槽12、清洗池13和烘干装置14。

混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，相邻的装置之间分别设有传送物料的传料带。

其中，混料装置2为混料机。球磨罐3由球磨机驱动球磨。压制成型装置4为粉末成型机。进料装置6为进料漏斗。浸渍槽12中盛有丙酮。清洗池13的上方设有喷淋去离子水的若干个喷淋头15。烘干装置14为真空干燥箱。

上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)碳纤维的预处理：将碳纤维置于真空热处理炉11，在2Pa条件下，500℃加热15分钟，停止加热，冷却至25℃，然后送入浸渍槽12内利用丙酮浸泡2小时，转移至清洗池13中用去离子水淋洗，晾干，之后烘干，备用；

(2)将配方量的碳化硼、氧化铝、氧化铅、氧化锆、氧化锡和镁粉依次通过进料装置6加入到混料装置2，然后将步骤(1)预处理后的碳纤维转移至混料装置2，将所有物料混合均匀；

(3)送入球磨罐3，将球磨罐3置于球磨机上，进行球磨，球磨速度为400r/min，球磨时间为20分钟，得细粉；

(4)将细粉送入压制成型装置4，在600MPa的压力下压制成型，得坯材；

(5)将坯材转移至烧结炉5，在2MPa条件下，900℃烧结2小时，之后冷却至25℃，即得。

实施例2：

一种碳纤维增强镁基复合材料，以质量百分比计，是由以下组分制成的：碳纤维(T700宇航级)8％，碳化硼10％，氧化铝8％，氧化铅5％，氧化锆4％，氧化锡2％，余量为镁粉。

如图1所示，上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备系统，包括依次连接的混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，混料装置2的进料口分别与碳纤维预处理装置1和进料装置6连接；所述的碳纤维预处理装置1包括依次连接的真空热处理炉11、浸渍槽12、清洗池13和烘干装置14。

混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，相邻的装置之间分别设有传送物料的传料带。

其中，混料装置2为混料机。球磨罐3由球磨机驱动球磨。压制成型装置4为粉末成型机。进料装置6为进料漏斗。浸渍槽12中盛有丙酮。清洗池13的上方设有喷淋去离子水的若干个喷淋头15。烘干装置14为真空干燥箱。

上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)碳纤维的预处理：将碳纤维置于真空热处理炉11，在3Pa条件下，600℃加热20分钟，停止加热，冷却至25℃，然后送入浸渍槽12内利用丙酮浸泡2小时，转移至清洗池13中用去离子水淋洗，晾干，之后烘干，备用；

(2)将配方量的碳化硼、氧化铝、氧化铅、氧化锆、氧化锡和镁粉依次通过进料装置6加入到混料装置2，然后将步骤(1)预处理后的碳纤维转移至混料装置2，将所有物料混合均匀；

(3)送入球磨罐3，将球磨罐3置于球磨机上，进行球磨，球磨速度为400r/min，球磨时间为30分钟，得细粉；

(4)将细粉送入压制成型装置4，在800MPa的压力下压制成型，得坯材；

(5)将坯材转移至烧结炉5，在3MPa条件下，1000℃烧结3小时，之后冷却至25℃，即得。

实施例3：

一种碳纤维增强镁基复合材料，以质量百分比计，是由以下组分制成的：碳纤维(T300宇航级)6％，碳化硼6％，氧化铝6％，氧化铅4％，氧化锆3％，氧化锡1％，余量为镁粉。

如图1所示，上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备系统，包括依次连接的混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，混料装置2的进料口分别与碳纤维预处理装置1和进料装置6连接；所述的碳纤维预处理装置1包括依次连接的真空热处理炉11、浸渍槽12、清洗池13和烘干装置14。

混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，相邻的装置之间分别设有传送物料的传料带。

其中，混料装置2为混料机。球磨罐3由球磨机驱动球磨。压制成型装置4为粉末成型机。进料装置6为进料漏斗。浸渍槽12中盛有丙酮。清洗池13的上方设有喷淋去离子水的若干个喷淋头15。烘干装置14为真空干燥箱。

上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)碳纤维的预处理：将碳纤维置于真空热处理炉11，在2Pa条件下，500℃加热15分钟，停止加热，冷却至25℃，然后送入浸渍槽12内利用丙酮浸泡2小时，转移至清洗池13中用去离子水淋洗，晾干，之后烘干，备用；

(2)将配方量的碳化硼、氧化铝、氧化铅、氧化锆、氧化锡和镁粉依次通过进料装置6加入到混料装置2，然后将步骤(1)预处理后的碳纤维转移至混料装置2，将所有物料混合均匀；

(3)送入球磨罐3，将球磨罐3置于球磨机上，进行球磨，球磨速度为400r/min，球磨时间为20分钟，得细粉；

(4)将细粉送入压制成型装置4，在600MPa的压力下压制成型，得坯材；

(5)将坯材转移至烧结炉5，在2MPa条件下，900℃烧结2小时，之后冷却至25℃，即得。

实施例4：

一种碳纤维增强镁基复合材料，以质量百分比计，是由以下组分制成的：碳纤维(T700宇航级)7％，碳化硼9％，氧化铝7％，氧化铅5％，氧化锆4％，氧化锡2％，余量为镁粉。

如图1所示，上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备系统，包括依次连接的混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，混料装置2的进料口分别与碳纤维预处理装置1和进料装置6连接；所述的碳纤维预处理装置1包括依次连接的真空热处理炉11、浸渍槽12、清洗池13和烘干装置14。

混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，相邻的装置之间分别设有传送物料的传料带。

其中，混料装置2为混料机。球磨罐3由球磨机驱动球磨。压制成型装置4为粉末成型机。进料装置6为进料漏斗。浸渍槽12中盛有丙酮。清洗池13的上方设有喷淋去离子水的若干个喷淋头15。烘干装置14为真空干燥箱。

上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)碳纤维的预处理：将碳纤维置于真空热处理炉11，在3Pa条件下，600℃加热20分钟，停止加热，冷却至25℃，然后送入浸渍槽12内利用丙酮浸泡2小时，转移至清洗池13中用去离子水淋洗，晾干，之后烘干，备用；

(2)将配方量的碳化硼、氧化铝、氧化铅、氧化锆、氧化锡和镁粉依次通过进料装置6加入到混料装置2，然后将步骤(1)预处理后的碳纤维转移至混料装置2，将所有物料混合均匀；

(3)送入球磨罐3，将球磨罐3置于球磨机上，进行球磨，球磨速度为400r/min，球磨时间为30分钟，得细粉；

(4)将细粉送入压制成型装置4，在800MPa的压力下压制成型，得坯材；

(5)将坯材转移至烧结炉5，在3MPa条件下，1000℃烧结3小时，之后冷却至25℃，即得。

实施例5：

一种碳纤维增强镁基复合材料，以质量百分比计，是由以下组分制成的：碳纤维(T700宇航级)6％，碳化硼7％，氧化铝6％，氧化铅5％，氧化锆4％，氧化锡1％，余量为镁粉。

如图1所示，上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备系统，包括依次连接的混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，混料装置2的进料口分别与碳纤维预处理装置1和进料装置6连接；所述的碳纤维预处理装置1包括依次连接的真空热处理炉11、浸渍槽12、清洗池13和烘干装置14。

混料装置2、球磨罐3、压制成型装置4和烧结炉5，相邻的装置之间分别设有传送物料的传料带。

其中，混料装置2为混料机。球磨罐3由球磨机驱动球磨。压制成型装置4为粉末成型机。进料装置6为进料漏斗。浸渍槽12中盛有丙酮。清洗池13的上方设有喷淋去离子水的若干个喷淋头15。烘干装置14为真空干燥箱。

上述的一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)碳纤维的预处理：将碳纤维置于真空热处理炉11，在3Pa条件下，550℃加热20分钟，停止加热，冷却至25℃，然后送入浸渍槽12内利用丙酮浸泡2小时，转移至清洗池13中用去离子水淋洗，晾干，之后烘干，备用；

(2)将配方量的碳化硼、氧化铝、氧化铅、氧化锆、氧化锡和镁粉依次通过进料装置6加入到混料装置2，然后将步骤(1)预处理后的碳纤维转移至混料装置2，将所有物料混合均匀；

(3)送入球磨罐3，将球磨罐3置于球磨机上，进行球磨，球磨速度为400r/min，球磨时间为25分钟，得细粉；

(4)将细粉送入压制成型装置4，在700MPa的压力下压制成型，得坯材；

(5)将坯材转移至烧结炉5，在2MPa条件下，950℃烧结3小时，之后冷却至25℃，即得。

试验例

对实施例1～5的复合材料进行性能测试，分别采用万能试验机测试材料的拉伸轻度、弯曲强度和压缩强度，并在2100℃有氧环境下测试质量损失率，结果见表1。

表1.性能测试结果

从表1可以看出，本发明的复合材料拉伸强度170MPa以上，弯曲强度和压缩强度在210MPa以上，在2100℃有氧环境下质量损失仅为10^-5g/cm²s量级，具有力学性能好和抗热冲击性能佳等优点。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。