一种混合碳纤维镁合金复合材料及其制备方法与流程

文档序号:15457796发布日期:2018-09-15 01:39

本发明属于复合材料技术领域,特别涉及一种混合碳纤维镁合金复合材料及其制备方法。



背景技术:

现有技术;目前,镁合金因其比强度和比刚度高,已在生产中大规模的应 用。金属镁重量轻,如果在镁合金中嵌入碳纤维,可形成轻质的性能更高的镁基 纤维增强复合材料,从而运用到更广阔的领域,例如航天、机械、建筑等。



技术实现要素:

本发明针对上述技术缺陷,提供一种混合碳纤维增强的镁合金复 合材料及其制备方法。该纤维增强镁基复合材料性能可在更大程度范围内调节, 该镁基复合材料制备方法简单,无环境污染,生产成本低。

技术方案:一种混合碳纤维增强的镁合金复合材料,该复合材料是由高强度 碳纤维和高模量碳纤维混合增强的以镁合金为基体的复合材料,所述高强度型碳 纤维的强度为5000~5500MPa,模量在200~300GPa范围,所述高模量型碳纤维 的模量为550~600GPa,强度为3800~4000MPa,高强度碳纤维和高模量碳纤维 的体积比为3:1~1:3,两种碳纤维混合后占整个复合材料体积的50~70%, 复合材料镁合金基体的合金元素的质量百分比为:6%≤Al≤9%,0.5%≤Zn≤1 %,0<Sb≤2%,0<Sn≤1.2%,0.2%≤Be≤1.2%,0<Ti≤0.5%,0<Si≤0.5%, 0<Sr≤1%,其余为镁。一种制备混合碳纤维增强的镁合金复合材料的方法,将 高强度碳纤维和高模量碳纤维浸入含氟锆盐的质量浓度为1~2%的水溶液中,保 持2~6min,氟锆盐的水溶液的溶质为K3ZrF7和K2ZrF6的混合盐,K3ZrF7和 K2ZrF6的质量比为10:1~100;然后将上述纤维取出并干燥,按高强度碳纤维和 高模量碳纤维的体积比为3:1~1:3上下交替铺放在模具型腔中,形成纤维束 平行铺放的预制型,所用高强度型碳纤维的强度为5000~5500MPa,模量在 200~300GPa范围,所用高模量型碳纤维的模量为550~600GPa,强度为3800~ 4000MPa;再将基体镁合金微粉置于纤维束预制型的上面,镁合金微粉的粒径在 0.1~1mm范围,碳纤维和镁合金微粉的体积比为1:1~7:3;然后再将装有碳 纤维和镁合金微粉的模具置于微振台上进行振动,振动频率为200Hz,振动时间 为5~20min;振动停止后用金属压头将纤维/金属混合物压紧,压紧力为1~ 6MPa;去除压力后把模具放入SF6气氛中加热至670~720℃,保持20~40min; 最后将模具取出冷却至室温即得到纤维增强镁基复合材料。

有益效果:本发明提出一种性能可调节程度更大的纤维增强镁基复合材料, 增强纤维由高强度碳纤维和高模量碳纤维的组成。该镁基复合材料制备方法程序 少,工艺简单,无需特殊机械,消耗能量低,生产成本低。

具体实施方式

高强度纤维的强度或模量为A,体积分数a。

高模量纤维的强度或模量为B,体积分数b。

镁合金基体强度为200~250MPa,以250MPa为例,镁合金基体模量为 0.04~0.05GPa,以0.045GPa为例,体积分数为c。

复合材料沿纤维轴向的强度为G=Aa+Bb+250c。

复合材料沿纤维轴向的模量为E=Aa+Bb+0.045c。

实施例1:

高强度型碳纤维的强度为5000MPa,模量为200GPa,高模量型碳纤维的模 量为550GPa,强度为3800MPa,高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为3: 1,两种碳纤维混合后占整个复合材料体积的50%,复合材料镁合金基体的合金 元素的质量百分比为:Al:6%,Zn:0.5%,Sb:0.1%,Sn:0.1%,Be:0.2 %,Ti:0.1%,Si:0.1%,Sr:1%,其余为Mg。将高强度碳纤维和高模量碳纤 维浸入氟锆盐质量浓度为1%的水溶液中保持2min,然后将上述纤维取出纤维并 干燥,按高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为3:1上下交替间隔铺放在模 具型腔中,两种纤维束平行铺放形成预制型,再将基体镁合金微粉置于纤维束预 制型的上面,镁合金微粉的粒径为0.1mm,碳纤维和镁合金微粉的体积比为1: 1;然后再将装有碳纤维和镁合金微粉的模具置于微振台上进行振动,微振频率 为200Hz,在振动中镁合金微粉通过预制型间隙混入短纤维束,振动时间为 5min;振动停止后用金属压头将纤维/金属混合物压紧,压紧力为1MPa;去除压 力后把模具放入SF6气氛中加热至670℃,保持20~40min;最后将模具取出冷却 至室温即得到纤维增强镁基复合材料。氟锆盐的水溶液的溶质为K3ZrF7和K2ZrF6的混合盐,K3ZrF7和K2ZrF6的质量比为1:10。

复合材料的强度为G=Aa+Bb+250c=2475MPa。

复合材料的模量为E=Aa+Bb+0.045c=143.7725GPa。

实施例2:

高强度型碳纤维的强度为5500MPa,模量为300GPa,所述高模量型碳纤维 的模量为600GPa,强度为4000MPa,高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为 1∶3,两种碳纤维混合后占整个复合材料体积的70%,复合材料镁合金基体的合 金元素的质量百分比为:Al:9%,Zn:1%,Sb:2%,Sn:1.2%,Be:1.2 %,Ti:0.5%,Si:0.5%,Sr:1%,其余为镁。将高强度碳纤维和高模量碳纤 维浸入氟锆盐质量浓度为2%的水溶液中保持6min,然后将上述纤维取出纤维并 干燥,按高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为1:3上下交替间隔铺放在模 具型腔中,两种纤维束平行铺放形成预制型,再将基体镁合金微粉置于纤维束预 制型的上面,镁合金微粉的粒径在1mm范围,碳纤维和镁合金微粉的体积比为 7:3;然后再将装有碳纤维和镁合金微粉的模具置于微振台上进行振动,微振频 率为200Hz,在振动中镁合金微粉通过预制型间隙混入短纤维束,振动时间为 20min;振动停止后用金属压头将纤维/金属混合物压紧,压紧力为6MPa;去除 压力后把模具放入SF6气氛中加热至720℃后,保持40min;最后将模具取出冷却 至室温即得到纤维增强镁基复合材料。氟锆盐的水溶液的溶质为K3ZrF7和K2ZrF6的混合盐,K3ZrF7和K2ZrF6的质量比为10:1。

复合材料的强度为G=Aa+Bb+250c=3137.5MPa。

复合材料的模量为E=Aa+Bb+0.045c=367.5135GPa。

实施例3:

高强度型碳纤维的强度为5200MPa,模量在150GPa范围,所述高模量型碳 纤维的模量为580GPa,强度为3900MPa,两种碳纤维混合后占整个复合材料体 积的60%,复合材料镁合金基体的合金元素的质量百分比为:Al:8%,Zn: 0.9%,Sb:1%,Sn:1%,Be:1%,Ti:0.3%,Si:0.3%,Sr:0.5%,其余为 镁。将高强度碳纤维和高模量碳纤维浸入氟锆盐质量浓度为1.5%的水溶液中保持 4min,然后将上述纤维取出纤维并干燥,按高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积 比为1:1上下交替间隔铺放在模具型腔中,高强度纤维周围相邻空间内为高模 量纤维,两种纤维束平行铺放形成预制型,所用高强度型碳纤维的强度为 5200MPa,模量在260GPa范围,所用高模量型碳纤维的模量为580GPa,强度为 3900MPa,再将基体镁合金微粉置于纤维束预制型的上面,镁合金微粉的粒径在 0.5mm范围,碳纤维和镁合金微粉的体积比为3:2;然后再将装有碳纤维和镁合 金微粉的模具置于微振台上进行振动,振动频率为200Hz,振动时间为15min; 振动停止后用金属压头将纤维/金属混合物压紧,压紧力为5MPa;去除压力后把 模具放入SF6气氛中加热至700℃,保持30min;最后将模具取出冷却至室温即得 到纤维增强镁基复合材料。氟锆盐的水溶液的溶质为K3ZrF7和K2ZrF6的混合 盐,K3ZrF7和K2ZrF6的质量比为1:1。

复合材料的强度为G=Aa+Bb+250c=2855MPa。

复合材料的模量为E=Aa+Bb+0.045c=219.0225GPa。

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