专利名称：二氧化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料技术领域的镁基材料，具体是一种表面具有二氧化 钛涂层的碳纤维增强镁基复合材料。
技术背景金属基复合材料是用两种或两种以上材料复合而成，目的是更有效地发挥不 同材料各自的特性，并赋予其单一使用材料所不具备的优良的复合性能。近年来， 随着汽车和航空航天技术的发展，以轻合金为基体的复合材料越来越显示出广阔的应用前景，但目前的研究多集中在铝基复合材料方面，对铝基复合材料的制备、 微观结构、性能等进行了深入的研究。与铝相比，镁的密度低(1.74g/cm3)，约 为铝的64%，钢的20%。因此，其比强度明显高于铝和钢。镁合金自身强度和模量的绝对值较低，添加增强体制成的镁基复合材料具有 比镁合金更好的综合性能，已成为金属基复合材料的一个重要研究领域。通过选 用高强度高模量的碳纤维作为增强体可有效提高材料的力学性能。由于碳纤维和镁互不浸润，一般采用纤维表面涂层处理的方法改善纤维和镁 基体之间的润湿性。常用的改善润湿性的涂层如Si02， TiN， SiC等涂层，这些 涂层虽然能改善纤维和基体的润湿性，却在复合材料界面处生成大量的针状相， 形成强界面结合，影响了复合材料力学性能。经对现有技术的文献检索发现，Dr. C. K5rner， W. Sch^ff， M. Ottmtiller， Prof. R. F. Singer等在《Advanced Engineering Materials》(《先进工程材 料》)(2000， Volume2， Issue6， P327-337)发表的"Carbon long fiber reinforced magnesium al^ys"(《碳长纤维增强镁合金》) 一文中采用化学气相沉积(CVD) 法在碳纤维表面涂覆一层TiN涂层，所制得的复合材料界面存在大量针状相。发明内容本发明的目的在于克服现有碳纤维增强镁基复合材料的不足，提供一种二氧 化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料。这种涂层复合材料避免了复合材料的强界面结合，界面结合干净、无针状界面相生成，使其解决以往其他涂层碳纤维增强 镁基复合材料因强界面结合引起的复合材料力学性能下降的问题，提高了碳纤维 增强镁基复合材料的力学性能。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的涂层碳纤维增强镁基复合 材料，由基体镁合金和表面具有Ti(V凃层的碳纤维组成，组分的质量百分比为 碳纤维30-60%，碳纤维单丝直径为6 !i m -8 ix m，其余为镁合金。所述碳纤维表面Ti02涂层由现有技术中的溶胶凝胶法制得，其厚度在l!xm 以下，该涂层在纤维表面连续、均匀、光滑分布。所述碳纤维表面Ti02涂层的存在改善了碳纤维和镁基体的润湿性，所制备的 材料结构致密。所述Ti02涂层碳纤维增强镁基复合材料中，界面干净，无针状界面相存在。本发明上述的基体镁合金采用现有技术实现。在坩埚中加入配置的镁合金原 料，通SFe和C02混合气体保护，升温至70(TC使合金熔化，将具有Ti02涂层的碳 纤维预热到40(TC，放置在预热到200'C金属模具中，将熔化的合金液浇铸到金 属模具中，在压力下成型，挤压压力为lOMPa，保压时间60秒，得到Ti02涂层 碳纤维增强镁基复合材料。与现有技术相比，本发明解决了以往涂层碳纤维增强镁基复合材料中，强界 面结合导致力学性能下降的问题，所制得的材料无针状界面相，界面干净，本发 明所制备的复合材料结构致密，具有优秀的力学性能，在航空航天、国防、工业 等领域有着广泛的应用。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。以下实施例中使用的基体镁合金，其成分范围的重量百分比1_10%A1， 0-5%Si， 0_l%Re，杂质《0. 1%,其余为Mg。 实施例1使用碳纤维为吉林碳素厂生产，直径6-8ixm，每束碳纤维有1000根单丝， 模量为175GPa,抗拉强度1000MPa。碳纤维占复合材料的体积分数为30%，其余为镁合金。纤维表面Ti02涂层的厚度为lum。在坩埚中加入配置的镁合金原料，通SR和C(V混合气体保护，升温至700 。C使合金熔化，将具有Ti02涂层的碳纤维预热到40(TC，放置在预热到20(TC金 属模具中，将熔化的合金液浇铸到金属模具中，在压力下成型，挤压压力为10MPa， 保压时间60秒，得到Ti02涂层碳纤维增强镁基复合材料。所制得Ti02涂层碳纤维复合材料，界面干净，无针状相生成，复合材料结构 致密，铸态力学性能为E=68GPa，抗拉强度350MPa。实施例2使用碳纤维为大连兴科碳纤维有限公司生产，直径6-8um，每束碳纤维有 3000根单丝，模量为260GPa，抗拉强度3000MPa。碳纤维占复合材料的体积分 数为55%，其余为镁合金。纤维表面TiO2涂层的厚度为0.2!xm。在坩埚中加入配置的镁合金原料，通SR和C(V混合气体保护，升温至700 。C使合金熔化；将具有TiO2涂层的碳纤维预热到40(TC，放置在预热到20(TC金 属模具中；将熔化的合金液浇铸到金属模具中，在压力下成型，挤压压力为1 OMPa， 保压时间60秒，得到Ti02涂层碳纤维增强镁基复合材料。所制得Ti02涂层碳纤维复合材料，界面干净，无针状相生成，复合材料结构 致密，铸态力学性能为E二134GPa，抗拉强度1400MPa。实施例3使用碳纤维同实施例1。碳纤维占复合材料的体积分数为70%，其余为镁合 金。纤维表面Ti02涂层的厚度为0.5um。在坩埚中加入配置的镁合金原料，通SFe和C(V混合气体保护，升温至700 'C使合金熔化；将具有Ti02涂层的碳纤维预热到40(TC，放置在预热到20(TC金 属模具中；将熔化的合金液浇铸到金属模具中，在压力下成型，挤压压力为10MPa， 保压时间60秒，得到Ti02涂层碳纤维增强镁基复合材料。所制得Ti02涂层碳纤维复合材料，界面干净，无针状相生成，复合材料结构 致密，铸态力学性能为E=110GPa，抗拉强度610MPa。
权利要求
1、一种二氧化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料，其特征在于，由基体镁合金和具有TiO2涂层的碳纤维组成，其中，碳纤维的重量百分比为碳纤维30-70％，碳纤维单丝直径为6μm-8μm，镁合金为余量。
2、 根据权利要求1所述的二氧化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料，其特 征是，所述具有Ti02涂层的碳纤维，其表面Ti02涂层由溶胶凝胶法制得。
3、 根据权利要求1或2所述的二氧化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料， 其特征是，所述具有Ti(V凃层的碳纤维，其Ti02涂层厚度小于lum，该涂层在 纤维表面连续、均匀、光滑分布。
4、 根据权利要求1所述的二氧化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料，其特 征是，所述基体镁合金，组分和重量百分比1-10%A1， 0-5%Si， 0-l%Re，杂质 《0. 1%，其余为Mg。
全文摘要
一种复合材料技术领域的二氧化钛涂层碳纤维增强镁基复合材料。所述复合材料是由镁合金和具有二氧化钛涂层的碳纤维组成，其中，添加的增强相的重量百分比为碳纤维30-70％，碳纤维单丝直径为6μm-8μm，镁合金为余量。本发明中碳纤维表面二氧化钛涂层，改善了镁与碳纤维之间的润湿性，并避免了复合材料的强界面结合，界面干净，无针状相生成，提高了材料的性能。
文档编号C22C101/10GK101250677SQ20081003582
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月10日 优先权日2008年4月10日
发明者夏存娟, 张亦杰, 李险峰, 王浩伟, 马乃恒 申请人:上海交通大学