专利名称：具有原位生成的碳质纤维增强物的金属基质复合材料和金属复合泡沫的制作方法
具有原位生成的碳质纤维增强物的金属基质复合材料和金属复合泡沬技术领域
本发明一般涉及的领域包括金属复合材料，所述金属复合材料包括碳增强的金属复合材料，更特别地涉及用于结构应用的具有取向纤维增强物的热成型的金属-基质复合材料或金属复合材料。
背景技术：
在单壁碳纳米管中实现了碳纤维增强物所赋予的性质，模量高达lOOOGPa。然而， 在复合结构材料，包括由碳纤维增强的金属-基质复合结构材料，中并不总是需要这种刚度水平。此外，碳纳米管对于宽范围的工程应用(尤其是在通用的汽车部分中)的适用性受到其高成本和有限可用性的严格限制。碳纤维的较高成本主要是由于所涉及的加工条件所致，包括前体聚合物(例如浙青或聚(例如丙烯腈))在非常高的温度下在惰性环境中的氧化。
金属基质复合材料的制备通常包括金属和增强物(例如碳纤维)的固结以及然后制备该复合部件的不同步骤。在包括铸造与碳纤维增强物混合的熔融金属的操作中，精确控制该纤维增强物的取向方向性是非常困难的。
基于粉末金属的加工所提供的一个优点是能够一起完成包括该金属和增强物的固结以及该部件成型的步骤。甚至在后一种工艺中，难以维持方向性。发明内容
在示例性实施方案中，提供了基于粉末冶金的热成型复合材料，其包括烧结金属颗粒的基质，所述金属颗粒包括金属和金属合金中的至少一种；和位于所述基质内的具有源自前体纤维垫(precursor fibrous matte)的取向和形状的碳纤维。
在另一示例性实施方案中，提供了基于粉末冶金的热成型复合材料的制备方法， 其包括提供包括至少一种类型金属颗粒的金属颗粒基质，所述金属颗粒负载在具有第一取向和形状的纤维垫上且至少部分在所述纤维垫周围，所述纤维垫包括多个包含有机聚合物的纤维层；和将该金属颗粒和该纤维垫的所述组合件在使得所述金属颗粒烧结且所述纤维垫至少部分碳化以形成具有源自所述第一取向和形状的第二取向和形状的碳纤维的温度下经历热成型工艺，以得到金属-基质复合部件。
在另一示例性实施方案中，提供了用于由其形成热成型部件的基于复合粉末冶金的前体材料，其包括包括至少一种金属的金属颗粒前体基质；和位于所述基质内的纤维垫，所述纤维垫包括多个包含有机聚合物的纤维层，所述纤维垫具有预设取向，所述金属颗粒附着在所述纤维垫上。
从后文提供的详细描述中，本发明的其他示例性实施方案将变得显而易见。应当认识到该详细描述和特别实施例尽管公开了本发明的示例性实施方案，但仅意于举例说明目的而并不意于限制本发明的范围。
从详细描述和附图中，本发明的示例性实施方案将得到更充分的理解，其中图1A-1D显示了依照实施方案在形成示例性热成型的基于复合粉末冶金的部件中的示例性步骤。
图2A-2D显示了在依照实施方案在形成用于由其形成热成型部件的示例性热成型的、基于复合粉末冶金的前体组合件中的示例性步骤。
图3显示了依照图2A-2D中显示的实施方案的示例性工艺流程。
图4A-4C显示了依照实施方案在热成型示例性的基于复合粉末冶金的部件中的示例性步骤。
图5显示了依照图4A-4C中显示的实施方案的示例性工艺流程。具体实施方式
以下对实施方案(一个或多个)的描述本身仅是示例性的(举例说明的)，且绝不意于限制本发明、其使用或应用。
在示例性实施方案中，可以通过将一种或多种金属粉末聚集在包括一个或多个包含有机聚合物(碳纤维前体)的纤维垫层上，制备由纤维垫和粉末金属组成的复合预制组合件。然后该复合预制组合件可以经历在足以烧结该金属粉末的温度(例如高于该金属粉末的熔点)的热成型。该复合预制组合件可以通过常规工艺热成型，该常规工艺包括对该复合预制组合件同时施加机械压力和加热(例如热压)——烧结该金属颗粒，并由该纤维垫层形成碳纤维——同时成型为金属-基质复合部件。该热成型的复合部件由此包括由碳纤维增强的金属部件，其中该碳纤维可以具有预设的优选取向(方向性)，例如与该纤维垫层基本相同或源自该纤维垫层。
在一些实施方案中，该热成型的复合金属部件可以具有约0.5mm-约500mm的厚度。在其他实施方案中，该热成型的复合金属部件可以是结构金属部件，例如作为常规内燃机、电动汽车和混合燃料车的部件。
在一些实施方案中，该热成型工艺可以包括将所述复合预制组合件同时经历施加的机械压力和在高于该金属粉末的至少一些的熔点的温度的加热，使得发生金属颗粒烧结且该纤维垫的至少一部分碳化以形成碳纤维部分。
将认识到可以使用常规热成型或热压工艺，包括其中可以通过模头或其他施加机械压力的工具施加热量，和/或加热可以由外部来源(例如常规对流和/或辐射加热炉和/ 或电磁能加热源)施加。
在一种实施方案中，在热成型温度加热过程中和/或在热成型工艺过程中，该复合预制组合件中的金属粉末可以熔化并固结(烧结过程)在该纤维垫以及任选的另外有机和/或无机填料和/或增强材料的周围，而该纤维垫中的纤维碳化以形成具有与该纤维垫基本相同的方向性(取向)的碳纤维。因此，在由该金属和/或金属合金粉末的熔化得到的能量提供这些前体的碳化的情况下，可以原位形成碳纤维。
在一些实施方案中，认识到碳纤维可以包括连续和/或不连续的碳纤维，因为该碳纤维前体材料的碳化以及热成型工艺可能导致或不导致所得到的碳纤维的断裂。在一些实施方案中，将认识到该热成型工艺可能为该复合预制组合件赋予不同的形状，且因此所得到的碳纤维中的一些可能具有与该纤维垫层不同的取向，而是源自其以形成第二优选取向。
在另一实施方案中，该包含碳纤维前体的基体纤维垫可以在热成型工艺之前经历在低于金属熔化温度的第一温度的退火工艺，以氧化和/或稳定该复合预制组合件(具有粉末金属和任选的填料和/或增强材料)内的基体纤维垫中的碳纤维前体。例如，可以在加热到热成型温度之前，在低于该基体纤维垫中的碳纤维前体的降解(碳化)温度发生该氧化 /稳定退火。
在一种实施方案中，该金属和/或金属合金粉末可以具有高于300°C的熔点(以便于碳纤维前体的碳化)，优选约300°C -约950°C，更优选约400-700°C。在其他实施方案中， 该复合预制组合件可以在正好高于该金属粉末的熔点的温度(例如比该金属粉末的熔点高约1°C -约150°C)经历热成型。
在一些实施方案中，该金属和/或金属合金粉末可以包括任何金属或粉末状金属组合，其可以经历常规粉末冶金工艺以形成包含金属的部件，该工艺包括热成型或热压。在一种实施方案中，该金属和/或金属合金粉末包括铝。在另一实施方案中，该金属和/或金属合金粉末包括镁。
在其他实施方案中，取决于该金属粉末和所需的热成型(烧结)温度和烧结速率， 该金属和/或金属合金粉末可以具有各种粒度。在一些实施方案中，该金属粉末可以具有在约20nm-约100微米范围的由常规工艺，包括透射电子显微镜(TEM)和/或气体吸附，测得的一次粒度和/或聚集粒度。
将认识到将该复合预制组合件加热到氧化/稳定温度并随后加热到热成型温度的工艺可以以温度逐渐升高且在选定的中间恒定温度(多个)退火来实现，或者可以以连续温度变化(升高)而实现。如前所述，该热成型工艺可以包括在对该复合预制组合件施加机械压力之前和/或过程中施加任意组合的热源，以加热到高于至少一种金属粉末的熔点的温度以诱使金属颗粒烧结。
在一种实施方案中，该复合预制组合件(叠层)可以包括粉末金属以及任选材料， 比如可以用于在热成型的部件中提供额外增强的另外的纤维和/或碳纤维前体和/或颗粒材料。例如，在一些实施方案中，所述另外的纤维或颗粒材料可以是任何有机材料或无机材料，以包括无机碳化物、金属、金属氧化物、和/或预形成的碳纤维。
复合预制组合件(叠层)也可以包括另外的任选的功能材料，例如有机和/或无机填料以及粘合形成性(胶粘)材料，例如弹性体粘合剂。该另外的任选材料可以具有在纳米级(纳米)到微米级(微米)范围的主尺寸(例如直径、长度)。应该认识到该另外的增强材料可以由各个纤维、和/或颗粒材料、和/或各个纤维和/或颗粒材料的聚集物形成。
在另一实施方案中，该纤维垫基体可以具有随机纤维排列，例如随机编织，或者以预设的纤维方向性(取向)排列，例如具有交叉帘布层编织等(编织取向)。
在另一实施方案中，该纤维垫包括微米或纳米尺寸(例如纤维直径)的碳纤维前体材料，其可以是纤维素的(包含纤维素的材料)，例如人造丝和/或其他有机聚合材料，所述碳纤维前体材料在热成型温度经历碳化。在另一实施方案中，该包括碳纤维前体材料的纤维垫可以包括浙青纤维或聚丙烯腈(PAN)纤维。在另一实施方案中，该有机填料和/或另4/5页外的增强材料可以包括上述碳纤维前体材料。
在另一实施方案中，将该复合预制组合件在真空下经历热成型。在一些实施方案中，该真空可以在从低于大气压(<760托)到10_9托左右的真空度，更优选从约KT1托到约 ΙΟ"5托。在一些实施方案中，该氧化/稳定化和/或热成型步骤可以在氧化气氛中进行，例如在含氧气体存在下。在其他实施方案中，该热成型步骤可以在含惰性气体的气氛中进行。 在其他实施方案中，该热成型步骤可以在基本上非氧化性的气氛中进行。
在另一实施方案中，在热成型温度加热该复合预制组合件可能得到气态副产物 (例如含碳气体或含氢气体)，所述副产物可以至少部分除去(例如在真空下抽出)。例如，该气态副产物可以由纤维垫(例如该纤维垫的碳化)、该任选的另外增强材料和/或该任选的填料中的一个或多个发出。在另一实施方案中，可以使得该气态副产物至少部分保留在该金属内(例如通过控制该热成型工艺，例如温度和/或环境压力和/或施加机械压力)以产生可以具有蜂窝状和/或多孔结构(例如互连和/或隔离的单元)的泡沫金属微观结构，以形成包括成型或未成型的膜或片结构的热成型部件。
将认识到用于得到优化烧结(和任选发泡的)的微观结构的优化参数，包括该热成型工艺的温度和压力，可以取决于多个因素，包括该金属和/或金属合金的类型和粒度、 碳纤维前体材料的类型、气态副产物的释放量和速率、热成型工艺参数(例如热源、模头类型和施加于模头的机械压力水平)。
在一种实施方案中，可以将包括任选另外的材料(例如增强颗粒/纤维和/或粘合材料，例如用于提高对该纤维垫的粘合性的弹性体粘合剂)的粉末金属分开接触到该纤维垫上，或者可以在接触到该纤维垫上之前与该粉末金属混合在一起。
在一些实施方案中，可以通过将粉末金属和/或任选的另外材料刷涂和/或喷涂到该纤维垫上而将包括该任选另外材料的该粉末金属接触到该纤维垫上。
例如，在示例性的工艺中，参照图IA (顶视图和放大图)和IB (侧视图)，提供了纤维垫基体12A。例如，如其所示，在一种实施方案中，该纤维垫12A可以包括包括两个主要长度上纤维取向(例如A和B)的编织图案，其中该两个主要长度方向之间的角度(例如θ ) 可以高达约90度。在其他实施方案中，该两个主要长度方向之间的角度可以为约10-约90 度。参照图1C，将依照实施方案的包括任选的另外增强材料和填料的一种或多种粉末金属 14Α接触在该纤维垫基体12Α上以形成复合垫层Li。然后可以将该复合垫层加热到可以发生稳定化和/或氧化的温度。该稳定化和/或氧化可以低于该纤维垫的降解温度以及低于该一种或多种粉末金属的熔点。
参照图1D，可以在复合纤维垫层Ll上形成另一稳定化的和/或氧化的纤维垫基体 12Β和粉末金属14Β，形成类似于复合纤维垫层Ll的复合垫层L2。该工艺可以重复以形成多层复合预制组合件，以随后形成具有所需厚度的金属-基质复合部件。在其他实施方案中，可以首先形成各层、堆叠并然后加热到可以任选地进行纤维垫的氧化的稳定化温度。例如，在一些实施方案中，层数可以为约1-约1000，以形成所需的前体材料厚度，以随后形成所需的金属基质复合部件厚度。
参照图2A-2D并结合图3中的工艺步骤，显示了另一示例性实施方案。参照图2Α 和步骤301，提供了依照实施方案的纤维垫基体，例如12Α。参照图2Β和步骤303，将依照实施方案的包括任选的另外增强材料和填料的一种或多种粉末金属接触在该纤维垫基体(例6如12A)上以形成复合垫层Li。参照图2C和步骤305，然后可以将该复合垫层Ll加热到低于该一种或多种粉末金属的熔点的稳定化和/或氧化温度。参照图2D和步骤307，可以重复步骤301-305(图2A-2C)以形成多层式复合预制组合件(例如堆叠的复合垫层L1、L2、L3、 L4)。
参照图4A-4C并结合图5，显示了依照示例性实施方案的工艺步骤。参照图4A和步骤501，提供一个或多个复合垫层或复合预制组合件(层叠)，例如16，例如遵循图3中所列的工艺。在步骤503中，然后可以将该复合预制组合件16加热到高于根据实施方案的该复合预制组合件(例如16 )中的粉末金属的熔点的热成型温度(在热成型之前或其过程中)。 参照图4B和步骤505，可以随后通过例如成型模头(例如20A、20B)对该复合预制组合件16 施加机械压力以将该复合预制组合件经历例如热成型工艺，以将该复合预制组合件(例如 16)成型为包括具有源自该垫纤维取向的预设方向取向的碳纤维的金属基质复合部件(例如18)。例如，该金属基质复合部件的至少一部分可以具有基本上与该垫纤维取向相同的碳纤维取向。
将认识到在施加模头压力之前或在施加模头压力的过程中可以完全或部分形成该碳纤维。参照图4C和步骤507，然后可以将该热成型的金属基质复合部件(例如汽车部件)在释放模头压力之前或之后冷却以形成方向性取向的碳纤维增强金属基质复合部件。 此外，如前依照实施方案所述，该金属基质复合部件可以是通过捕获由该碳化和/或热成型工艺释放的气体而形成的泡沫金属部件以包括隔离的和/或互连的蜂窝状微观结构。
在一些实施方案中，在该热成型工艺之后，该片状(例如基本上没有弯曲)的金属基质复合部件的部分可以具有基本上与该前体纤维垫相同的碳纤维取向(相对于彼此的)。 在一些实施方案中，尽管该金属基质复合部件的形状可以变化，但该前体纤维垫中编织的整个图案和形状(相对于彼此的纤维取向和形状)可以保留在该复合金属部件中。在一些实施方案中，源自该前体纤维垫的编织图案的碳纤维的取向或图案可以与该前体纤维垫基本上相同，除了由该碳化工艺可能造成碳纤维中的不连续性。在其他实施方案中，热成型工艺可能略微使得该编织图案(相对于彼此的纤维取向)变形，例如，具有最初各自不同取向的纤维长度方向之间的角度可能改变，例如从约ι度到约45度。
在一些实施方案中，复合部件中源自包括两个主要长度上取向的前体纤维垫的编织图案的所述碳纤维的主要部分可以具有相对于彼此从约10度到约90度取向的碳纤维， 更优选地相对于彼此约45度到约90度。
在实施方案的各种优点中，包括能够形成具有方向性取向纤维的碳纤维增强轻质金属复合部件，其中碳纤维在原位形成。此外，能够形成具有可以根据对前体材料、和该热成型工艺的温度、气氛和压力的控制而改变的蜂窝状微观结构的金属复合微观结构，因此在无需任何另外工艺步骤的情况下得到更轻重量的金属基质复合材料。
对本发明的实施方案的以上描述本身仅是示例性的，因此其变体并不认为脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.热成型的基于复合粉末冶金的材料，包括包括金属和金属合金中至少一种的烧结金属颗粒的基质；和在所述基质内的具有源自前体纤维垫的取向和形状的碳纤维。
2.权利要求1的复合材料，其中所述烧结金属颗粒的基质包括蜂窝状微观结构。
3.权利要求1的复合材料，其中在所述复合材料的至少一部分上的该增强碳纤维的所述取向和形状中的至少之一与所述前体纤维垫的基本相同。
4.权利要求1的复合材料，其中所述碳纤维的取向源自包括所述前体纤维垫的编织图案。
5.权利要求1的复合材料，其中所述碳纤维的取向包括具有相对于彼此取向约10度到约90度的长度方向的所属碳纤维的主要部分。
6.权利要求1的复合材料，其中所述金属和/或金属合金的熔点高于约300°C。
7.权利要求1的复合材料，其中所述金属和/或金属合金的熔点低于约950°C。
8.权利要求1的复合材料，其中所述金属和/或金属合金的熔点为约400°C_约700°C。
9.权利要求1的复合材料，其中所述金属和/或金属合金包括镁和铝中的至少一种。
10.权利要求1的复合材料，其中该金属基质包括有机或无机添加剂材料。
11.权利要求1的复合材料，其中除了所述碳纤维之外，该金属基质还包括颗粒状和纤维状无机增强材料中的至少一种。
12.权利要求1的复合材料，其中该金属基质包括粘合剂材料。
13.权利要求1的复合材料，其中该热成型的材料包括汽车部件。
14.热成型的基于复合粉末冶金的材料的制备方法，包括提供包括至少一种类型金属颗粒的金属颗粒的复合预制组合件(叠层)，所述金属颗粒负载在具有第一取向和形状的纤维垫上且至少部分在所述纤维垫周围，所述纤维垫包括多个包含有机聚合物的纤维的层；和将所述复合预制组合件(叠层)在使得所述金属颗粒烧结以形成连续相且所述纤维垫至少部分碳化以形成具有源自所述第一取向和形状的第二取向和形状的碳纤维的温度下经历热成型工艺，由此得到碳纤维增强的金属基质复合部件。
15.权利要求14的方法，进一步包括在所述热成型工艺之前在中间温度加热所述复合预制组合件(叠层)的步骤，所述中间温度低于所述纤维垫的碳化温度。
16.权利要求14的方法，其中所述加热步骤包括受控的气氛和压力。
17.权利要求14的方法，其中所述热成型工艺包括受控的气氛和压力。
18.权利要求14的方法，其中所述热成型工艺的所述温度高于构成所述金属基质的至少一种金属的熔点。
19.权利要求18的方法，其中所述至少一种金属的所述熔点高于约300°C。
20.基于复合粉末冶金的前体材料，用于由其形成热成型的部件，所述前体材料包括 包括至少一种金属的基质金属颗粒的组合件；和负载所述基质金属颗粒且至少部分被其环绕的纤维垫基体，所述纤维垫基体包括多个包含有机聚合物的纤维的层，所述纤维垫具有预设的取向，所述金属颗粒粘合到所述纤维垫上。
全文摘要
示例性实施方案公开了热成型的基于复合粉末冶金的材料，所述材料包括烧结的金属颗粒的基质，其包括金属和金属合金中的至少一种；和位于所述基质内的具有源自前体纤维垫的取向和形状的碳纤维。
文档编号B32B15/14GK102481761SQ201080021636
公开日2012年5月30日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月17日
发明者帕塔姆 B., 森达拉 S. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司