专利名称：低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及碳纤维铝基复合材料及制备方法。
背景技术：
阻尼材料是指具有结构材料应有的强度并能通过阻尼过程(内耗)把振动能较快地转变为热能而消耗掉的材料。目前，阻尼材料已广泛应用于航空航天、核工业及军事装备及陆地交通运输工具、重工业、机械工业、轻工业、纺织工业、大型建筑等领域。碳纤维是复合材料中最理想的增强材料，它具有高强度、高比模量、优异的热物理性能、化学稳定性、阻尼减震降噪等优良性能。但是其造价高并且制造工艺困难。现有减振措施有下列两种途径一是在振动源外部设计采用减振结构；二是采用阻尼材料。在许多领域中对阻尼构建的设计，除了对材料的阻尼性能有较高的要求以外，还要求它具有高的结构效率，即在保证构件力学结构性能的条件下，构件的质量轻、体积最小。虽然采用第一种方法可以起到减振作用，但是这种辅助的结构会增大设备的体积；而对于第二种方法，传统的阻尼材料(例如Mn-Cu合金、灰口铁、熟铁等)虽然具有良好的阻尼性能，但它的密度大。
发明内容
本发明为了解决现有碳纤维复合材料造价高、制造工艺困难，采用常规的减振结构可以起到减振作用，但是这种辅助的结构会增大设备的体积，而采用传统的阻尼材料(如Mn-Cu合金、灰口铁、熟铁等)它的密度大的问题，提供了一种低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料及其制备方法，解决上述问题的具体技术方案如下本发明由无定形碳纤维与铝基复合制成，按体积份数无定形碳纤维为10～25％、铝基为90～75％。
本发明的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料制备方法的步骤如下步骤一、按体积份数取无定形碳纤维为10～25％、铝基为90～75％，将配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉8～10小时；步骤二、将步骤一混粉的粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至540～580℃，开始向材料施加20～30MPa压力，压力维持20～40分钟，随炉冷却至室温，脱模，即制备出低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料。
本发明将10～25％体积份数的无定形碳纤维加入到6061铝基体中，不仅强化了复合材料，该材料具有比传统的阻尼合金材料有更小的密度，比变形铝合金有更优良的阻尼性能。同时它还具有低密度、高比强度、质量轻、体积小，以及良好的塑性、韧性和加工性能，而且成本低。广泛适用于航空航天、核工业及军事装备及陆地交通运输工具、重工业、机械工业、轻工业、纺织工业、大型建筑等领域。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式由无定形碳纤维与铝基复合制成，按体积份数无定形碳纤维为10～25％、铝基为90～75％组成。
无定形碳纤维增强体采用日本XN-05C型无定形碳纤维，其体积份数为10～25％，长度为80～100μm。铝基采用6061锻铝颗粒，颗粒尺寸为10～30μm。
具体实施例方式
二本实施方式按体积份数由无定形碳纤维为10％、铝基为90％组成。
具体实施例方式
三本实施方式按体积份数由无定形碳纤维为17％、铝基为83％组成。
具体实施例方式
四本实施方式按体积份数由无定形碳纤维为25％、铝基为75％组成。
具体实施例方式
五本实施方式制备方法的步骤如下步骤一、按体积份数取无定形碳纤维为10～25％、铝基为90～75％，将配好的无定形碳纤维和锻铝颗粒放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉8～10小时；步骤二、将步骤一混粉的粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至540～580℃，开始向材料加压20～30MPa，压力维持20～40分钟，随炉冷却至室温，脱模，即制备出低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料。
具体实施例方式
六本实施方式与具体实方式五的不同点在于它还包含步骤三、将经步骤二热压烧结后的无定形碳纤维铝基复合材料进行热挤压成形，挤压比为16～25∶1，挤压温度为450～550℃，保温15～30分钟，能制备出致密度更高的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料。
具体实施例方式
七本实施方式按体积份数取无定形碳纤维为10％、铝基为90％，配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉时间8小时；将粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至580℃，施加20MPa的压力，压力维持20分钟；进行热挤压成形，挤压比为25∶1，挤压温度为450℃，保温20分钟。其它步骤与具体实施方式
五和具体实施方式
六相同。
具体实施例方式
八本实施方式按体积份数取无定形碳纤维为17％、铝基为83％，配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉时间9小时；将粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至560℃，施加25MPa的压力，压力维持30分钟；进行热挤压成形，挤压比为25∶1，挤压温度为500℃，保温25分钟。其它步骤与具体实施方式
五和具体实施方式
六相同。
具体实施例方式
九本实施方式按体积份数取无定形碳纤维为17％、铝基为83％，配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉时间9小时；将粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至540℃，施加20MPa的压力，压力维持30分钟；进行热挤压成形，挤压比为25∶1，挤压温度为550℃，保温30分钟。其它步骤与具体实施方式
五和具体实施方式
六相同。
中、低模量无定形碳纤维价格低廉，而且伸长大、脆性小，可以做成各种填料而保持其原有的长度，重要的是无定形碳纤维的本征阻尼高。这一重要特性赋予了中、低模量无定形碳纤维广泛的应用市场。
而在金属结构材料中，铝基复合材料具有高比强度、比模量和比刚度，同时又具有良好阻尼性能，并因其低密度常用于航空、航天和电子等工业的减振、降噪等领域。
将制备的不同体积份数的复合材料在HV-5型维氏硬度计上进行硬度测试，载荷0.5kg，保荷时间10s；在INSTRON-1186万能电子试验机上进行常温拉伸试验，测量其拉神性能。其力学性能见表一所示。可见，将10～25vol.％体积份数的无定形碳纤维加入到6061铝基体中，复合材料被强化。并且10vol.％Cf/6061Al复合材料综合性能最佳，其抗拉强度比6061铝合金提高了36％，而延伸率保持为6.7％。
采用DMAQ800动态热分析仪对上述制备的不同体积份数的复合材料在室温下进行阻尼-应变振幅谱的阻尼性能测试，测试的模式为单臂悬梁，应变振幅为10-4，频率为1Hz。其阻尼性能见表二所示。当复合材料的无定形碳纤维含量为10～30％时阻尼性能比6061Al合金有所提高。当复合材料的无定形碳纤维含量为25％时阻尼性能指标较佳。
表一不同无定形碳纤维体积份数下Cf/6061Al复合材料的力学性能
表二不同无定形碳纤维体积份数下Cf/6061Al复合材料的阻尼性能
权利要求
1.低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料，它由无定形碳纤维与铝基复合制成，其特征在于按体积份数由无定形碳纤维为10～25％、铝基为90～75％组成。
2.根据权利要求1所述的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料，其特征在于按体积份数无定形碳纤维为10％、铝基为90％组成。
3.根据权利要求1所述的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料，其特征在于按体积份数无定形碳纤维为17％、铝基为83％组成。
4.根据权利要求1所述的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料，其特征在于按体积份数无定形碳纤维为25％、铝基为75％组成。
5.低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料的制备方法，其特征在于它包含下列步骤步骤一、按体积份数取无定形碳纤维为10～25％、铝基为90～75％，将配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉8～10小时；步骤二、将步骤一混粉的粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至540～580℃，开始向材料施加20～30MPa压力，压力维持20～40分钟，随炉冷却至室温，脱模，即制备出低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料。
6.根据权利要求5所述的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料的制备方法，其特征在于它还包含有步骤三、将经步骤二热压烧结后的无定形碳纤维铝基复合材料进行热挤压成形，挤压比为16～25∶1，挤压温度为450～550℃，保温15～30分钟，能制备出致密度更高的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料。
7.根据权利要求5或6所述的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料的制备方法，其特征在于按体积份数取无定形碳纤维为10％、铝基为90％配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉时间8小时；将粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至580℃，施加20MPa的压力，压力维持20分钟；进行热挤压成形，挤压比为25∶1，挤压温度为450℃，保温20分钟。
8.根据权利要求5或6所述的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料的制备方法，其特征在于按体积份数取无定形碳纤维为17％、铝基为83％配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉时间9小时；将粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至560℃，施加25MPa的压力，压力维持30分钟；进行热挤压成形，挤压比为25∶1，挤压温度为500℃，保温25分钟。
9.根据权利要求5或6所述的低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料的制备方法，其特征在于按体积份数取无定形碳纤维为17％、铝基为83％配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1，混粉时间9小时；将粉末放入石墨模具中冷压成型，然后将石墨模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中加热至540℃，施加20MPa的压力，压力维持30分钟；进行热挤压成形，挤压比为25∶1，挤压温度为550℃，保温30分钟。
全文摘要
低模量高阻尼无定形碳纤维铝基复合材料及其制备方法，它涉及碳纤维铝基复合材料及制备。它解决了采用常规的减振结构设备的体积大，而采用传统的阻尼材料密度大的问题。它由无定形碳纤维和铝基复合制成，按体积份数由无定形碳纤维为10～25％、铝基为90～75％组成。制备方法一、按体积份数取无定形碳纤维为10～25％、铝基为90～75％，将配好的锻铝颗粒和无定形碳纤维放入行星式球磨机上混粉，球料比为2∶1；二、将混粉的粉末放入石墨模具中冷压成型，将模具及冷压成型的材料放入真空热压炉中热压，即制备出该复合材料。本发明比传统的阻尼合金材料有更小的密度，比变形铝合金有更优良的阻尼性能，它还具有高比强度、质量轻、体积小，以及良好的塑性和韧性。
文档编号C22C47/00GK1924074SQ200610010600
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月25日 优先权日2006年9月25日
发明者耿林, 李爱滨, 王桂松, 李莎莎 申请人:哈尔滨工业大学