专利名称：一种纤维复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纤维复合材料及其冷轧复复合生产工艺。
技术背景复合材料是指由两种或更多种物理和化学本质不同的物质人工制成 的一种多相固体材料，其最大优越性是它的性能比其组成材料优异，可改 善或克服组成材料的弱点并充分发挥它们的优点，也可创造单一材料不易 具备的性能。复合材料为多相体系， 一般分为两类， 一类为基体，起粘结剂作用；另一类为增强相，起提高强度(或韧性)的作用。复合材料可由两种或更多种物质来制备，按照增强相的性质和形态可 分为细粒复合材料(增强相为细粒)、纤维复合材料(增强相为纤维)。 对于细粒复合材料，承受载荷的主要是基体，增强效果主要取决于细 粒直径，只有在细粒直径为0.01 0.10Mm时才有一定增强效果，否则反而 会降低材料原有性能，实际加工控制存在较大难度，不能较好推广。对于纤维复合材料，包括连续纤维复合材料和短切纤维复合材料，承 受载荷的主要是增强相纤维。根据现有资料介绍，纤维的长度对增强效果 很有利，因此连续纤维的增强效果明显强于短切纤维，其应用也更广泛。 目前有应用的连续纤维有连续金属纤维、连续玻璃纤维、连续碳纤维等。 但由于后两者的制备十分烦瑣，所以实际生产、应用中更倾向采用连续金 属纤维作为增强相来生产复合材料。目前对于连续金属纤维复合材料，研究较多的是增强相为鴒、钼丝； 基体为镍合金和钛合金。采用上述基体和增强相制备的连续金属纤维复合 材料，具有较高强度、好的塑性和韧性，且易于制造。能用于使用要求较 高的机器构件，如涡轮叶片等；甚至可制作航空、航天器用如飞机的结构 件。更可满足一般的运输、建筑和装饰行业用的结构件要求。但对于后者，
其最大缺点显然是大材小用成本高，不宜推广应用。因而寻找一种低成本、 能满足上述一般结构件使用要求的连续金属纤维材料进行替代，是十分有 意义的。通过检索国内外专利数据库，共检索到国内外专利文献58篇。其中，最相关的专利文献有2篇(一种金属基复合材料的制备工艺，CN1586771; 金属复合板，CN200420050714.5 )。从发明内容来看，"一种金属基复合 材料的制备工艺"(CN158677 )在两个方面仍有不足之处(1 )该文献 对组元材料无明确界定；增强材料的形态和添加方式也完全不同；实际上 难以保证复合材料的性能。(2)热处理工艺相差极大。这同样不利于优 化所述复合材料的性能。在文献"金属复合板"(CN200420050714.5 )中， 公开了组元材料界定为纯铝或铝合金、不锈钢板或纯铜板或冷轧钢板，加 工方式为加热压合而制备复合材料的方法。目前还未见采用铝作为基体、不锈钢丝作为增强相的连续金属纤维复 合材料的相关介绍，因该技术方案中存在以下技术难点1、 必须保证连续纤维与基体间的结合强度，以保证复合材料的强度， 更重要的是便于将基体所受的载荷传递给连续纤维，以充分发挥其增强作 用。2、 必须使连续纤维有合理的含量、尺寸和分布，以获得一定的纤维 体积百分比，增强强化效果。3、 需确定冷轧复合生产的工艺参数。4、 需确定相应烧结(扩散热处理)制度。发明内容基于上述背景技术内容而提出本发明。本发明提供一种冷轧复合生产 纤维复合材料的方法，以获得一种连续金属纤维复合材料。相比于基体材 料，该复合材料能提高抗拉强度，改善基体材料抗拉强度低的弱点，同时 能保持基体材料比重轻的优点，也能明显降低成本，具备较好的研究和应 用前景。本发明一个目的在于提供所述的连续金属纤维复合材料的组成以及 结构。该复合材料通过选取合适的基体和增强相，采用一种新型的生产方
法加工而成。其基体材料采用铝带，增强相为网状不锈钢丝，并采用冷轧 复合法进行生产加工，即在室温条件下将两层或多层铝带和一层或多层网 状不锈钢丝重叠后通过大压下量、 一道次轧制成连续金属纤维复合材料。 相比于基体材料，该复合材料能明显提高抗拉强度，改善基体材料抗拉强 度低的弱点，同时能保持基体材料比重轻的优点；适宜制作上述的一般结 构件，能明显降低成本，具备较好的研究和应用前景。具体地，该复合材料中包括基体，该基体为纯铝带，其规格通常是1.0 2.0mm;增强相，该增强相为网状不锈钢丝，其中丝的直径可选择，为 0.1 0.2mm，分别形成250目 60目的不4秀钢丝网)。上述构成的设计方案中，增强相为网状不锈钢丝可直接使用。理论上， 不锈钢丝和所述铝带进行复合时，采用沿铝带方向的纯纵向钢丝与铝带进 行复合的效果最好。但是考虑到可操作性(因纯纵向的钢丝不易设置为易 于轧制的形式)，通常使用网状的不锈钢丝和所述铝带进行复合。不锈钢丝的直径和最终轧制形成的金属纤维尺寸有关，不同的钢丝直 径可以形成不同的金属纤维尺寸，其对成品复合材料具有不同的增强效 果。 一般而言，钢丝直径越小，则形成的金属纤维尺寸也越小，可以得到 的增强效果越好。本发明还有一个目的在于提供这种连续金属纤维复合材料的制备方 法，优选地，在进行本发明的复合材料轧制之前，可以对作为基体的带材 进行预处理的过程纯铝带—冷轧—热处理—表面预处理(砂带表面砂光、 活化)。通过这样的方式改善最终的复合材料产品中层与层之间的结合牢固度。具体地，该续金属纤维复合材料的生产方案包括1、 选材基体为1.0 2.0mm纯铝带；增强相为网状不锈钢丝(丝的直 径可选择，为0.1 0.2mm，分别形成250目~60目的不锈钢丝网)。增强相 网状不锈钢丝可直接使用。2、 基体带材的制备1.0 2.0mm纯铝带—冷轧—热处理—表面预处理 (该步骤为优选的处理步骤)3、 固相冷轧复合生产工艺基体(纯铝带增强相(网状不锈钢丝)固相冷轧复合轧制—烧结(扩散热处理)-冷轧形成复合层结构的步骤采用的轧制方式是固相冷轧复合法采用专用 的固相复合冷轧机将两层或多层铝带和一层或多层网状不锈钢丝重叠后 通过大压下量、 一道次轧制成连续金属纤维复合材料，所述的两层或多层 铝带和一层或多层网状不锈钢丝交错地进行重叠，例如，两层铝带之间为 一层网状不锈钢丝；或者多层铝带之间，均分别具有至少一层网状不锈钢 丝。此外，该冷轧过程对于温度没有特别的要求，例如，可以在室温条件 下进行。通过选择不同目数和数量的网状不锈钢丝，可使复合材料获得不 同的纤维体积百分比和强度。为了保证复合材料的性能，所述冷轧复合轧制法必须根据下表l对所 列出的关键工艺参数加以控制 表l控制参数参数特性值控制原理轧制速度0.3 0.6，米/分钟稳定轧制，保证结合强度润滑采用润滑油，例 如菜油能保证室温下大压下量轧制 要求轧制变形 率40 60%能保证结合强度为了使轧制后的复合材料的层与层之间结合牢固，需要对其进行扩散热处理，对轧制后的复合材料进行烧结(即扩散热处理)的技术参数如下 采用光亮连续热处理炉，热处理工艺温度350 45(TC，走带速度2 4 米/分钟。最后可进行冷轧步骤，采用普通冷轧机将复合、烧结后的材料轧制为 所需厚度规格及一定强度的产品。在该冷轧过程中可进行多次中间热处 理。例如，以上述的热处理工艺进行处理。本发明的有益效果包括1、 利用本发明生产出一种连续金属纤维复合材料，相比于基体材料, 该复合材料能明显提高抗拉强度，改善基体材料抗拉强度低的弱点，同时 能保持基体材料比重轻的优点，也能明显降低成本，具备较好的研究和应用前景。2、 本发明所提供的生产方法简易、便于实施和控制，且具备良好可 操作性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述，本领域技术人员应当理解， 所述实施例仅用于示例，而不对本发明构成任何限制。实施例l，0. 3、m厚度连续金属纤维复合材料的制备，1、 选材基体为2.0mm纯铝带；增强相为网状不锈钢丝(丝的直径 为0.15mm),对应形成120目的不锈钢丝网)。该网状不锈钢丝直接使用。2、 基体带材的制备2.0mm纯铝带—冷轧0.25mm—热处理(釆用光 亮连续热处理炉，热处理工艺温度400。C，走带速度5米/分钟)—表面 预处理(砂带表面砂光、活化)3、 轧制方式是固相冷轧复合法采用专用的固相复合冷轧机在室温 条件下将6层铝带和5层网状不锈钢丝采用三明治方式重叠后通过大压下 量、 一道次轧制成连续金属纤维复合材料。复合轧制前基体带材和网状不 锈钢丝重叠后的厚度尺寸为2.25mm;复合轧制后的材料厚度为l.Omm;專L 制速度为0.4米/分钟；润滑采用菜油；轧制变形率55.6%。4、 烧结(扩散热处理)采用光亮连续热处理炉，热处理工艺温 度400'C,走带速度3米/分钟。5、 冷轧。实施例2，0. 6mm厚度连续金属纤维复合材料的制备，1、 选材基体为2.0mm纯铝带；增强相为网状不锈钢丝(丝的直径为018mm)，对应形成100目的不锈钢丝网)。该网状不锈钢丝直接使用。2、基体带材的制备2.0mm纯铝带→冷轧0.30mm→热处理(采用光亮连续热处理炉，热处理工艺温度450℃，走带速度4.5米/分钟)→表面预处理(砂带表面砂光、活化)3、轧制方式是固相冷轧复合法采用专用的固相复合冷轧机在室温条件下7层铝带和6层网状不锈钢丝采用三明治方式重叠后通过大压下量、一道次轧制成连续金属纤维复合材料。复合轧制前基体带材和网状不锈钢丝重叠后的厚度尺寸为3.18mm；复合轧制后的材料厚度为1.4mm；轧制速度为0.3米/分钟；润滑采用菜油；轧制变形率55.9％。4、烧结(扩散热处理)采用光亮连续热处理炉，热处理工艺温度400℃，走带速度2.5米/分钟。5、冷轧。实施例30.1mm厚度连续金属纤维复合材料的制备，1、选材基体为2.0mm纯铝带，增强相为网状不锈钢丝(丝的直径为0.10mm)对应形成250目的不锈钢丝网)。该网状不锈钢丝直接使用。2、基体带材的制备2.0mm纯铝带→冷轧0.20mm→热处理(采用光亮连续热处理炉，热处理工艺温度400℃，走带速度6米/分钟)→表面预处理(砂带表面砂光、活化)3、轧制方式是固相冷轧复合法采用专用的固相复合冷轧机在室温条件下6层铝带和5层网状不锈钢丝采用三明治方式重叠后通过大压下量、一道次轧制成连续金属纤维复合材料。复合轧制前基体带材和网状不锈钢丝重叠后的厚度尺寸为1.70mm；复合轧制后的材料厚度为0.75mm；轧制速度为0.45米/分钟；润滑采用菜油；轧制变形率55.8％。4、烧结(扩散热处理)采用光亮连续热处理炉，热处理工艺温度400℃，走带速度4米/分钟。5、冷轧。
权利要求
1、一种纤维复合材料，其特征在于，该复合材料中包括由铝构成的基体；以及由不锈钢丝构成的增强相，其中，所述铝构成的基体和所述不锈钢丝构成的增强相通过轧制形成复合层结构。
2、 根据权利要求l所述的纤维复合材料，其特征在于，所述不锈钢 丝为网状不锈钢丝。
3、 根据权利要求1或2所述的纤维复合材料，其特征在于，所述不锈 钢丝的直径为O.l ~0.2mm。
4、 根据权利要求1或2所述的纤维复合材料，其特征在于，所述网状 不锈钢丝是60目 250目的不锈钢丝网。
5、 根据权利要求l所述纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包 括下列步骤(1 )采用固相复合冷轧机将两层或多层铝带和一层或多层网状不锈钢 丝重叠后轧制成复合层结构的纤维复合材料；(2) 对轧制得到的复合层结构的纤维复合材料进行扩散热处理，使所 述复合层结构中的层与层之间牢固结合；(3) 采用冷轧机将经过上述处理后的材料轧制为预定厚度规格及强度 的产品。
6、 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤l)之 前，包括下列预处理步骤-将作为基体的铝带经过冷轧，热处理工艺处理，以及表面预处理。
7、 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述预处理步骤为冷專L0.2 0.3mm;在350 450。C，走带速度4 6米/分钟下进行所述热处理工艺；和 以砂带表面砂光、活化进行所述的表面预处理。
8、 根据权利要求5-7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述 步骤l)中，控制所述固相复合冷轧机的轧制速度为0.3~0.6米/分钟，并 采用润滑油进行轧制，同时控制变形率为40~60%。
9、 根据权利要求5-7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述 步骤2)中，扩散热处理在光亮连续热处理炉中进行，其处理温度控制在 350~450°C,走带速度控制在2~4米/分钟。
10、 根据权利要求5 7中任意一项所述的制备方法，其特征在于， 所述步骤3 )中的冷轧过程还包含多次中间热处理的过程。
全文摘要
本发明提供一种连续金属纤维复合材料及其制备方法，该复合材料的基体材料采用铝，增强相为网状不锈钢丝，并采用冷轧复合法进行生产加工，即在室温条件下将两层或多层铝带和一层或多层网状不锈钢丝重叠后通过大压下量、一道次轧制成连续金属纤维复合材料。相比于基体材料，该复合材料能明显提高抗拉强度，改善基体材料抗拉强度低的弱点，同时能保持基体材料比重轻的优点。
文档编号C22C47/00GK101397645SQ200710046710
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月29日 优先权日2007年9月29日
发明者郭南翔, 黄庆华 申请人:宝山钢铁股份有限公司