一种碳纤维增强镁基复合材料空心管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料，尤其是一种碳纤维增强镁基复合材料空心管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维增强镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于较低的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，成功应用于人造卫星支架、人造卫星抛物面天线、空间望远镜等。随航天器精度、载荷要求的日益提高，结构件的轻量化是其重中之重。碳纤维增强镁基复合材料空心管因其结构强度高，重量相比实心复合材料可大大降低。传统复合材料空心管的制备是通过机械加工出中心孔，这对于长度较短的管状复合材料可以实现。但是，对于长度超过300mm的管状复合材料，其内部中心孔无法通过机加工的方法实现，这限制了长管状碳纤维增强镁基复合材料在航空航天领域的应用。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明旨在提出一种碳纤维增强镁基复合材料空心管及其制备方法，以解决长管状碳纤维增强镁基复合材料的难以制备的技术问题。
[0004]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
[0005]—种碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，包括如下步骤:
[0006](1)制备用于形成空心管中心孔的型芯；
[0007](2)将碳纤维束利用机织加工方法在型芯上织成整体为三维网状的预制体；
[0008](3)将步骤(2)中的预制体放入金属模具中预热；
[0009](4)将熔炼后的镁合金熔体浇注入金属模具中，在挤压压力下成型后进行保压制成管坯；
[0010](5)将管坯内的型芯去除即得碳纤维增强镁基复合材料空心管。
[0011]进一步的，所述型芯的材料为石膏、氯化钠、氯化钾或者是氯化钠与氯化钾的混合物。
[0012]进一步的，所述步骤(3)中模具预热温度为400°C?600°C。
[0013]进一步的，所述步骤(4)中浇注温度为700°C?740°C，挤压压力为10?50MPa，保压时间1?5分钟。
[0014]进一步的，所述步骤(5)中的型芯使用高压水枪去除。
[0015]进一步的，所述空心管的长度大于或等于300mm。
[0016]本发明还包括一种碳纤维增强镁基复合材料空心管，所述空心管包括碳纤维增强体和镁合金基体，其中碳纤维体积分数30?60 %，其余为镁合金。
[0017]进一步的，所述空心管中镁合金的组分和质量百分比为:0?9%铝(A1)，0?1%硅
(31)，0?1%钛(11)，0?1%硼(8)，其余为镁(1%)。
[0018]进一步的，所述空心管的长度大于或等于300mm。
[0019]相对于现有技术，本发明所述的碳纤维增强镁基复合材料空心管及其制备方法具有以下优势:
[0020]本发明采用三维碳纤维作为增强体，中心孔通过有一定强度且易去除的型芯来制备，从根本上解决了长管状碳纤维增强镁基复合材料的制备难题。与此同时，空心管结构致密，碳纤维与基体结合良好，高精度的型芯保证了中心孔的精度，制备后的复合材料管内壁无需进行二次加工即可满足设计要求。复合材料空心管的综合性能优异，在航空航天、军工、电子封装、汽车、体育器械、精密制造等领域有着广泛的应用前景。
【具体实施方式】
[0021]除非另外说明，本文中所用的术语均具有本领域技术人员常规理解的含义，为了便于理解本发明，将本文中使用的一些术语进行了下述定义。
[0022]所有的数字标识，例如PH、温度、时间、浓度，包括范围，都是近似值。要了解，虽然不总是明确的叙述所有的数字标识之前都加上术语“约”。同时也要了解，虽然不总是明确的叙述，本文中描述的试剂仅仅是示例，其等价物是本领域已知的。
[0023 ]本发明的机织加工方法是本领域技术人员已知的常规技术手段。
[0024]实施例1
[0025]—种碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，包括如下步骤:
[0026](1)利用石膏制备长度为300mm用于形成空心管中心孔的型芯；
[0027](2)将碳纤维束利用机织加工方法在型芯上织成整体为三维网状的预制体；
[0028](3)将步骤(2)中的预制体放入金属模具中预热，预热温度为400°C;
[0029](4)将质量分数为1 %S1、1 %T1、1 %B、97%Mg的镁合金熔炼后，按照与碳纤维体积比为7:3的比例在浇注温度为700°C下注入金属模具中，在lOMPa的挤压压力下成型后，保压1分钟制成管还；
[0030](5)利用高压水枪将管坯中的型芯去除即得长度为300mm的碳纤维增强镁基复合材料空心管。
[0031]利用上述方法制备的空心管结构致密，碳纤维与基体结合良好。
[0032]实施例2
[0033]—种碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，包括如下步骤:
[0034](1)将分析纯氯化钠通过烧结制成长度为500mm用于形成空心管中心孔的型芯；
[0035](2)将碳纤维束利用机织加工方法在型芯上织成整体为三维网状的预制体；
[0036](3)将步骤(2)中的预制体放入金属模具中预热，预热温度为500°C;
[0037](4)将质量分数为9%A1、0.5%S1、1 %B、89.5 %Mg的镁合金熔炼后，按照与碳纤维体积比为11:9的比例在浇注温度为720°C下注入金属模具中，在30MPa的挤压压力下成型后，保压3分钟制成管还；
[0038](5)利用高压水枪将管坯中的型芯去除即得长度为500mm的碳纤维增强镁基复合材料空心管。
[0039]利用上述方法制备的碳纤维增强镁基复合材料空心管结构致密，碳纤维与基体结合良好，碳纤维分布均勾。
[0040]实施例3
[0041]—种碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，包括如下步骤:
[0042](1)将分析纯氯化钠和分析纯氯化钾混合物通过烧结制成长度为800mm的型芯，用于形成空心管中心孔；
[0043](2)将碳纤维束利用机织加工方法在型芯上织成整体为三维网状的预制体；
[0044](3)将步骤(2)中的预制体放入金属模具中预热，预热温度为600°C;
[0045](4)将质量分数为3^^1、1%3丨、0.5%11、0.1%8、95.4%1%的镁合金熔炼后，按照与碳纤维体积比为2:3的比例在浇注温度为740°C下注入金属模具中，在50MPa的挤压压力下成型后，保压5分钟制成管坯；
[0046](5)利用高压水枪将管坯中的型芯去除即得长度为800mm的碳纤维增强镁基复合材料空心管。
[0047]利用上述方法制备的碳纤维增强镁基复合材料空心管结构致密，碳纤维分布均匀，未发生偏聚和弯曲现象。
[0048]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)制备用于形成空心管中心孔的型芯； (2)将碳纤维束利用机织加工方法在型芯上织成整体为三维网状的预制体； (3)将步骤(2)中的预制体放入金属模具中预热； (4)将熔炼后的镁合金熔体浇注入金属模具中，在挤压压力下成型后进行保压制成管坯； (5)将管坯内的型芯去除即得碳纤维增强镁基复合材料空心管。2.根据权利要求1所述的碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，其特征在于:所述型芯的材料为石膏、氯化钠、氯化钾或者是氯化钠与氯化钾混合物。3.根据权利要求1所述的碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，其特征在于:所述步骤(3)中模具预热温度为400°C?600°C。4.根据权利要求1所述的碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，其特征在于:所述步骤(4)中浇注温度为700°C?740°C，挤压压力为10?50MPa，保压时间1?5分钟。5.根据权利要求1所述的碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，其特征在于:所述步骤(5)中的型芯使用高压水枪去除。6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的碳纤维增强镁基复合材料空心管的制备方法，其特征在于:所述空心管的长度大于或等于300_。7.一种碳纤维增强镁基复合材料空心管，其特征在于:所述空心管包括碳纤维增强体和镁合金基体，其中碳纤维体积分数30?60 %，其余为镁合金。8.根据权利要求7所述的碳纤维增强镁基复合材料空心管，其特征在于:所述空心管中镁合金的组分和质量百分比为:0?9%铝(A1)，0?1%硅(Si)，0?1%钛(Ti)，0?1%硼(B)，其余为镁(Mg)。9.根据权利要求7或8所述的碳纤维增强镁基复合材料空心管，其特征在于:所述空心管的长度大于或等于300mm。
【专利摘要】本发明提供了一种碳纤维增强镁基复合材料空心管及其制备方法，包括如下步骤：制备用于形成空心管中心孔的型芯；将碳纤维束利用机织加工方法在型芯上织成整体为三维网状的预制体；将预制体放入金属模具中预热；将熔炼后的镁合金熔体浇注入金属模具中，在挤压压力下成型后进行保压制成管坯；将管坯内的型芯去除即得碳纤维增强镁基复合材料空心管。本发明所述的采用三维碳纤维作为增强体，中心孔通过有一定强度且易去除的型芯来制备，从根本上解决了长管状碳纤维增强镁基复合材料的制备难题。
【IPC分类】C22C101/10, C22C47/06, C22C49/04, B22D27/09, B22C9/10, B22D19/02, B22C9/24, C22C47/12
【公开号】CN105478683
【申请号】CN201510900612
【发明人】张海军, 莫丽东, 陈建鹏, 王悦博
【申请人】天津航天机电设备研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月8日