用于生产碳纤维增强铝基体复合线材的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于生产碳纤维増强铝基体复合线材的方法和设备
[0001]本发明涉及一种通过连续的生产方法来生产碳纤维增强铝基体复合线材的方法和设备。
[0002]复合材料由至少两相组成，典型地是基体和第二分散相。铝基体复合材料是金属基复合材料最重要的族，这主要归因于Al的低密度、良好的耐腐蚀性以及相对高的生产体量和低的价格。铝基体复合材料可以用多种类型的分散相来生产，它们之一包括碳(元素碳)的不同改性，这些统一标示为A1/C复合材料。
[0003]每种复合材料基本上通过基体和分散相之间的附着能的强度来表征。两相间的附着力越强，复合材料中两种类型的相的相互作用越成功，和典型地复合材料的性能越好。在不易于实现良好的附着力的情况中，典型地通过一些机械装置来提供压力差，以在复合材料生产期间补充或者补偿附着力。但是，需要指出的是，尽管使用压力差允许使两相在一起，但是这并未在复合材料组分的界面处产生强的附着力，并且虽然看起来成功生产，但是该复合材料的性能预期将是不足的。因此，我们应当目标在于不使用压力来生产复合材料。复合材料的性能典型地随着分散相尺寸的降低而改进，因此，在我们的情况中随着碳纤维直径的降低。但是，随着尺寸的降低，使用高压力差用于将碳纤维束的纤维用熔融金属(基体材料)进行渗透的方法在连续方法中变得不太有效。
[0004]复合材料生产方法可以分为主要两组:间歇和连续方法。间歇或者静态方法可以用于生产较小的产品，在这种情况中预成型品决定了产品的形状和尺寸。连续方法可以用于生产用长碳纤维制成的线材、棒产品。很显然，连续生产方法相比于批次生产方法是明显更加经济有利的。
[0005]几种用于生产碳纤维增强铝基体复合材料的方法在文献中是已知的。
[0006]Rossi R.C.等人[Ceramic Bulletin 50，484-487 (1971)]通过压力渗透生产了碳纤维/Al复合材料。它们呼吁关注清洁碳纤维表面的需要。
[0007]在1987 年，Goddard D.M.等人[Engineered Materials Handbook 1，第 867-873页(1987)]综述了现有技术的状况。技术上，只有碳纤维通过化学气相沉积(CVD)涂覆TiB2，熔融铝可以在碳纤维之间渗透。这种方法很显然是非常昂贵的，并且由此生产的C/A1复合材料的市场缩小到航空航天工业。
[0008]Kendall E.G.等人[US专利4，082，864，(1984)]如下生产长碳纤维增强铝基体线材:将金属硼化物涂层气相沉积到碳纤维表面上，和随后将由此制备的碳纤维浸没在金属基体材料的熔融浴中。
[0009]Rohatgi P.K.等人[Z.Metallkunde 82，763-765 (1991)]在用熔融 Al 渗透之前，
用铜涂覆碳纤维。
[0010]Xia Z.等人[Metall.Trans.B.23B，295-302 (1992)]通过可变的压力渗透来生产复合材料。碳纤维用Ni化学涂覆。
[0011]Blucher J.T.等人[Mater.Sc1.Eng.A387-389，867-872 (2004)]通过在高压下(30-80bar)将碳纤维牵引通过熔融铝来生产复合材料。发现Al4C3相处于A1/C界面处，其体积可以通过降低接触时间来降低。没有表面处理时，他们不能以可再现方式生产C/A1复合材料。
[0012]Baumli P.[Composites A44，47 - 50 (2013)]如下检验了生产招基体复合材料的可能性:通过静态(间歇)方法，使用熔融盐，通过将用作增强相的碳纤维切割成短的Icm片，并且将它们置于铝片和盐上。在他的实验中，通过这种方法，他成功地生产了每分批实验最大3-6g的少量的复合材料。成功关键是使用了含有K2TiF6的盐，其溶解在熔融的碱氯化物和氟化物盐中，这可能在熔融Al和碳纤维界面处产生了临时的TiC层。
[0013]Juhasz K.L.[Mater.-wiss.Werkstofftech.43，第 4 期，310-314 (2012)]通过使用碘化钾(KI)作为主盐而开发了另一生产复合材料的静态方法。
[0014]Orbulov 1.N.等人[Materials Science Forum 659229-234.(2010)]通过压力渗透技术生产了碳纤维增强铝基体复合材料管。由含有约60vol%碳纤维的管制成的测试样本表现出高的比强度。
[0015]现有技术方法的共同要素是在每种情况中使用间歇(非连续)方法实现所述结果，在一些情况中是在高压下。
[0016]本发明的目标是开发一种方法，其允许通过连续生产方法经济地生产长碳纤维增强铝基体复合线材，而不使用压力差和搅拌。
[0017]本发明是基于这样的认识，即如果熔融盐与熔融铝空间隔开，并且将碳纤维束牵引通过由此隔开的熔体，首先是熔融盐，然后是熔融铝，首先是该熔融盐和然后是该熔融铝在正常压力下在碳纤维间流动，完美地填充了纤维之间的间隙。在由此生产的复合材料中，基体材料和增强相表面之间的附着力将可能是最强的，这确保了理论上最佳可实现的性會K。
[0018]因此，本发明涉及一种适于生产碳纤维增强铝基体复合线材的方法，和一种实施该方法的设备。
[0019]本发明的方法允许通过在800± 100°C的温度、在正常压力和正常气氛中的连续生产方法来生产长碳纤维增强铝基体复合线材。
[0020]该方法所用的熔融盐是K2TiF6，其溶解在熔融的碱卤化物盐中。优选将等摩尔量的NaCl和KCl用作碱卤化物盐，其含有10-20wt%的K2TiF6。
[0021]该方法可以在大气压下在空气或惰性气体气氛中实施。任选地，该方法也可以在真空下、或者在任何压力和所用的盐混合物和金属的熔点和沸点之间的温度下实施。
[0022]我们的方法参考下面的附图来更详细地描述:
[0023]图1:实验装置的示意图，其中熔融盐和熔融铝在单U形管中彼此没有空间隔开。
[0024]图2:实验室装置的示意图，其中熔融盐和熔融铝在双U形管中彼此空间隔开。
[0025]图3:适于连续工业生产的设备的示意图。
[0026]对于实验室实施所述方法来说，使用了图2所示的专门设计的双U形管。
[0027]在该方法中使用U形管I允许将熔融盐3与熔融铝4空间隔开，由此确保仅仅必需量的熔融盐3进入熔融铝4中，差不多可以在碳纤维2之间渗透，并且可以稳固地停留在那里，直到碳纤维束从熔融盐送到熔融金属。
[0028]但是，我们发现，当使用图1所示的实验装置(其是单U形管I和在其中熔融盐3和熔融铝4没有彼此空间隔开)时，它们具有共同的界面，我们不能通过连续方法生产复合线材。
[0029]在该方法中，碳纤维2束卷绕在供带盘5上，然后引导通过U形管I，并且所述束的端部连接到收带盘6。将其中具有碳纤维束的U形管I置于炉子中。
[0030]优选首先将碳纤维的表面进行热处理来除去表面上的涂层(树脂)。这通过在实验过程中加热炉子来进行，并且当该炉子达到某个温度范围(300-400°C)时，将碳纤维以这样的方式从供带盘5卷绕到收带盘6上，使得