专利名称：一种混合碳纤维增强的镁合金复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种混合碳纤维增强的镁合金复合 材料及其制备方法。
二背景技术：
现有技术目前，镁合金因其比强度和比刚度高，已在生产中大规模的应 用。金属镁重量轻，如果在镁合金中嵌入碳纤维，可形成轻质的性能更高的镁基 纤维增强复合材料，从而运用到更广阔的领域，例如航天、机械、建筑等。2000 年Advanced Engineering Materials杂志的第2巻第6期发表了 C. Koener关于碳 纤维增强镁合金的文章，所用碳纤维为单一材料，采用压力铸造浸渗方法，浸渗 压力为100大气压。2006年Journal of Materials Processing Technology杂志的第 175巻第1 ~ 3期发表了 W.Hufenbach关于碳纤维增强镁的制造工艺和材料表征的 文章，所用碳纤维为单一材料，浸渗压力为80大气压。专利2006101476公开了 碳纤维增强镁基高模量复合材料及其制备方法，纤维的体积百分比为30~70%, 另加空心微珠1~5%。以上工作存在的缺陷是，均采用单一碳纤维增强镁合金， 复合材料的性能主要靠纤维的体积分数进行调整，性能调整范围窄，特别是强度 和模量同时调整的程度小；另外在制备中所用压力均较大，对设备要求高。
三
发明内容
技术问题本发明针对上述技术缺陷，提供一种混合碳纤维增强的镁合金复 合材料及其制备方法。该纤维增强镁基复合材料性能可在更大程度范围内调节， 该镁基复合材料制备方法简单，无环境污染，生产成本低。
技术方案 一种混合碳纤维增强的镁合金复合材料，该复合材料是由高强度 碳纤维和高模量碳纤维混合增强的以镁合金为基体的复合材料，所述高强度型碳 纤维的强度为5000 ~ 5500MPa，模量在200 ~ 300GPa范围，所述高模量型碳纤维 的模量为550~600GPa，强度为3800~4000MPa，高强度碳纤維和高模量碳纤维 的体积比为3: 1-1: 3,两种碳纤维混合后占整个复合材料体积的50~70%，
复合材料镁合金基体的合金元素的质量百分比为6 % ^A1S9 % ,0.5 % ^Zi《1 %， 0<Sb^2%， 0<Sn^l.2%， 0.2 % SBe^l .2 % , 0<Ti^0.5%, 0<Si^).5%， 0<Sd%,其余为镁。 一种制备混合碳纤维增强的镁合金复合材料的方法，将 高强度碳纤维和高模量碳纤维浸入含氟锆盐的质量浓度为1~2%的水溶液中，保 持2~6min，氟锆盐的水溶液的溶质为K3ZrF7和K2ZrF6的混合盐，K3ZrF7和 K2ZrF6的质量比为10: 1 ~ 100;然后将上述纤维取出并干燥，按高强度碳纤维和 高模量碳纤维的体积比为3: 1~1: 3上下交替铺放在模具型腔中，形成纤维束 平行铺放的预制型，所用高强度型碳纤维的强度为5000 ~ 5500MPa，模量在 200 - 300GPa范围，所用高模量型碳纤维的模量为550 ~ 600GPa,强度为3800 ~ 4000MPa;再将基体镁合金微粉置于纤维束预制型的上面，镁合金微粉的粒径在 0.1 lmm范围，碳纤维和镁合金微粉的体积比为1: 1 ~ 7: 3;然后再将装有碳 纤维和镁合金微粉的模具置于微振台上进行振动，振动频率为200Hz,振动时间 为5~20min;振动停止后用金属压头将纤维/金属混合物压紧，压紧力为1~ 6MPa;去除压力后把模具力丈入SF6气氛中加热至670 ~ 720°C,保持20 ~ 40min; 最后将模具取出冷却至室温即得到纤维增强镁基复合材料。
有益效果本发明提出一种性能可调节程度更大的纤维增强镁基复合材料， 增强纤维由高强度碳纤维和高模量碳纤维的组成。该镁基复合材料制备方法程序 少，工艺简单，无需特殊4几械，消耗能量低，生产成本低。
四
图l混合纤维增强复合材料，复合材料中的镁合金基体与碳纤维有很好的结合。
五具体实施例方式
高强度纤维的强度或模量为A，体积分数a; 高模量纤维的强度或模量为B,体积分数b;
镁合金基体强度为200-250MPa,以250 MPa为例，镁合金基体模量为 0 .04 ~ 0.05GPa，以0.045 GPa为例，体积分数为c;
复合材料沿纤维轴向的强度为G=Aa+Bb+250c
复合材料沿纤维轴向的模量为E=Aa+Bb+0.045c 实施例1:
高强度型碳纤维的强度为5000MPa,模量为200GPa，高模量型碳纤维的模 量为550GPa，强度为3800MPa,高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为3: 1，两种碳纤维混合后占整个复合材料体积的50%，复合材料镁合金基体的合金
元素的质量百分比为Al : 6%， Zn : 0.5%, Sb: 0.1%, Sn: 0.1%, Be: 0.2 %, Ti: 0.1%, Si: 0.1%, Sr: 1%，其余为Mg。将高强度碳纤维和高模量碳纤 维浸入氟锆盐质量浓度为1%的水溶液中保持2min,然后将上述纤维取出纤维并 干燥，按高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为3: 1上下交替间隔铺放在模 具型腔中，两种纤维束平行铺^L形成预制型，再将基体《美合金微粉置于纤维束预 制型的上面，镁合金微粉的粒径为O.lmm，碳纤维和镁合金微粉的体积比为1: 1;然后再将装有碳纤维和镁合金微粉的模具置于微振台上进行振动，微振频率 为200Hz，在振动中镁合金微粉通过预制型间隙混入短纤维束，振动时间为 5min;振动停止后用金属压头将纤维/金属混合物压紧，压紧力为lMPa;去除压 力后把模具放入SF6气氛中加热至670°C ，保持20 ~ 40min;最后将模具取出冷却 至室温即得到纤维增强镁基复合材料。氟锆盐的水溶液的溶质为K込rF7和K2ZrF6 的混合盐，K3ZrF 和K2ZrF6的质量比为1: 10。 复合材料的强度为G=Aa+Bb+250c =2475MPa 复合材料的模量为E=Aa+Bb+0.045c = 143.7725GPa
实施例2:
高强度型碳纤维的强度为5500MPa，模量为300GPa，所述高模量型碳纤维 的模量为600GPa，强度为4000MPa,高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为 1: 3,两种碳纤维混合后占整个复合材料体积的70%,复合材料镁合金基体的合 金元素的质量百分比为Al: 9%， Zn: 1%， Sb: 2%， Sn: 1.2%, Be: 1.2 %, Ti: 0.5%, Si: 0.5%, Sr: 1%，其余为镁。将高强度碳纤维和高模量碳纤 维浸入氟锆盐质量浓度为2%的水溶液中保持6min，然后将上述纤维取出纤維并 干燥，按高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为1: 3上下交替间隔铺放在模 具型腔中，两种纤维束平行铺放形成预制型，再将基体镁合金微粉置于纤维束预 制型的上面，4美合金微粉的粒径在lmm范围，碳纤维和镁合金微粉的体积比为 7: 3;然后再将装有碳纤维和镁合金微粉的模具置于微振台上进行振动，微振频 率为200Hz，在振动中镁合金微粉通过预制型间隙混入短纤维束，振动时间为 20min;振动停止后用金属压头将纤维/金属混合物压紧，压紧力为6MPa;去除 压力后把才莫具放入SF6气氛中加热至720。C后，保持40min;最后将冲莫具取出冷却 至室温即得到纤维增强镁基复合材料。氟锆盐的水溶液的溶质为K3ZrF7和K2ZrF6 的混合盐，K3ZrF7和K2ZrF6的质量比为10: 1。
复合材料的强度为G=Aa+Bb+250c =3137.5 MPa
复合材料的模量为E=Aa+Bb+0.045c = 367.5135GPa
实施例3:
高强度型碳纤维的强度为5200MPa，模量在150GPa范围，所述高模量型碳 纤維的模量为580GPa，强度为3900MPa,两种碳纤维混合后占整个复合材料体 积的60%，复合材料镁合金基体的合金元素的质量百分比为Al: 8%, Zn: 0.9%, Sb: 1%， Sn: 1%， Be: 1%, Ti: 0.3%, Si: 0.3%, Sr: 0.5%，其余为 镁。将高强度碳纤维和高模量碳纤维浸入氟锆盐质量浓度为1.5%的水溶液中保持 4min,然后将上述纤维取出纤維并干燥，按高强度碳纤維和高模量碳纤维的体积 比为1: 1上下交替间隔铺放在模具型腔中，高强度纤维周围相邻空间内为高模 量纤维，两种纤维束平行铺放形成预制型，所用高强度型碳纤维的强度为 5200MPa，模量在260GPa范围，所用高模量型碳纤维的才莫量为580GPa,强度为 3900MPa,再将基体镁合金微粉置于纤维束预制型的上面，镁合金微粉的粒径在 0.5mm范围，碳纤维和镁合金微粉的体积比为3: 2;然后再将装有碳纤维和镁合 金微粉的模具置于微振台上进行振动，振动频率为200Hz，振动时间为15min; 振动停止后用金属压头将纤维/金属混合物压紧，压紧力为5MPa;去除压力后把 模具放入SF6气氛中加热至700°C，保持30min;最后将模具取出冷却至室温即得 到纤维增强镁基复合材料。氟锆盐的水溶液的溶质为KsZrF7和K2ZrF6的混合 盐，K3ZrF7和K2ZrF6的质量比为1: 1 。
复合材料的强度为G=Aa+Bb+250c = 2855 MPa
复合材料的模量为E=Aa+Bb+0.045c = 219.0225GPa 。
权利要求
1.一种混合碳纤维增强的镁合金复合材料，其特征在于该复合材料是由高强度碳纤维和高模量碳纤维混合增强的以镁合金为基体的复合材料，所述高强度型碳纤维的强度为5000～5500MPa，模量在200～300GPa范围，所述高模量型碳纤维的模量为550～600GPa，强度为3800～4000MPa，高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为3∶1～1∶3，两种碳纤维混合后占整个复合材料体积的50～70％，复合材料镁合金基体的合金元素的质量百分比为6％≤Al≤9％，0.5％≤Zn≤1％，0＜Sb≤2％，0＜Sn≤1.2％，0.2％≤Be≤1.2％，0＜Ti≤0.5％，0＜Si≤0.5％，0＜Sr≤1％，其余为镁。
2. —种制备混合碳纤维增强的镁合金复合材料的方法，其特征在于将高强 度碳纤维和高模量碳纤维浸入氟锆盐质量浓度为1 ~2%的水溶液中保持 2-6min，然后将上述纤维取出纤维并干燥，按高强度碳纤维和高模量碳 纤维的体积比为3: 1~1: 3上下交替铺放在模具型腔中，两种纤维束平 行铺放形成预制型，所用高强度型碳纤维的强度为5000 ~ 5500MPa，模 量在200~300GPa范围，所用高模量型碳纤维的模量为550 ~ 600GPa， 强度为3800 - 4000MPa,再将基体镁合金微粉置于纤维束预制型的上 面，镁合金微粉的粒径在0.1-lmm范围，碳纤维和镁合金微粉的体积比 为1: 1-7: 3;然后再将装有碳纤維和镁合金微粉的模具置于微振台上 进行振动；振动停止后用金属压头将纤維/金属混合物压紧，压紧力为 1 6MPa;去除压力后:fc4莫具放入SF6气氛中加热至670~72(TC,保持 20 ~ 40min;最后将模具取出冷却至室温即得到纤维增强镁基复合材料。
3. 根据权利要求2所迷的制备混合碳纤维增强的镁合金复合材料的方法， 其特征在于所述氟锆盐的水溶液的溶质为K3ZrF7和K2ZrF6的混合盐， K3ZrF7和K2ZrF6的质量比为10: 1 ~ 100。
4. 根据权利要求2所迷的制备混合碳纤维增强的镁合金复合材料的方法， 其特征在于所述振动频率为200Hz,振动时间为5~20min。
全文摘要
一种混合碳纤维增强的镁合金复合材料，其特征在于该复合材料是由高强度碳纤维和高模量碳纤维混合增强的以镁合金为基体的复合材料，所述高强度型碳纤维的强度为5000～5500MPa，模量在200～300GPa范围，所述高模量型碳纤维的模量为550～600GPa，强度为3800～4000MPa，高强度碳纤维和高模量碳纤维的体积比为3∶1～1∶3，两种碳纤维混合后占整个复合材料体积的50～70％，复合材料镁合金基体的合金元素的质量百分比为6％≤Al≤9％，0.5％≤Zn≤1％，0＜Sb≤2％，0＜Sn≤1.2％，0.2％≤Be≤1.2％，0＜Ti≤0.5％，0＜Si≤0.5％，0＜Sr≤1％，其余为镁。该镁基复合材料制备方法程序少，工艺简单，无需特殊机械，消耗能量低，生产成本低。
文档编号C22C49/04GK101182623SQ20071019223
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者赵浩峰 申请人:南京信息工程大学