一种提高SiC纤维增强Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料界面强度的方法与流程

本发明涉及的是一种纤维增强金属间化合物基层状复合材料的改性方法。

背景技术：

自从进入21世纪以来，科学技术正在发生着日新月异的惊人变化，各行各业对金属基复合材料的要求显著提高，尤其是航空航天业，其内燃机，发动机等各种关键零部件都对材料本身提出了更高的要求。因此，金属复合材料就需要更高的强度，刚度以及良好的塑韧性和导热性能。根据贝壳材料的强韧化原理研究出的轻质层状复合材料能够满足上述的材料需求而得到了广泛重视。其中，ti/al系金属间化合物由于其具有质量较轻且耐高温等优异性能，逐渐成为了国际上结构材料研究的重点之一。al3ti同ti/al系其他金属间化合物相比，其低温塑韧性较低，因此目前研究较少，但al3ti密度小、抗高温氧化性能好且断裂韧性较好，考虑到利用al3ti这些优点，人们研究出以al3ti这种金属间化合物做为基体，高强度的钛合金(ti-6al-4v)增强的ti/al3ti层状复合材料，这类复合材由于金属间化合物的加入拥有了优异的抗蠕变能力同时高温下仍具有理想的强度，该复合材料的脆性也因韧性金属ti的加入而降低。由于这种金属间化合物基层状复合材料具有独特的叠层结构和特殊的失效形式，除了拥有良好的力学性能，它还具有强大的抗冲击性能。

同时在ti/al3ti层状复合材料中，引入纤维之后，使得纤维增强的层状复合材料具有了良好的强度和刚度，模量、耐高温性能也比较优异，此外，它还具有很好的抗蠕变能力，是未来宇宙航天工程中使用的主要材料。目前，用于增强ti-al系金属间化合物复合材料的纤维主要有碳纤维、氧化铝、碳化硅等陶瓷纤维，以及mo纤维、w纤维等金属纤维。由于加入了纤维增强体，使得这种材料的整体强度获得了显著提高，同时也使得塑韧性得到了改善。

在纤维增强ti/al3ti金属间化合物基层状复合材料中，纤维是主要的承载对象，基体是起到固定增强纤维，传递载荷的作用，也就是将载荷通过复合材料的界面传递给纤维。在这一过程中，增强纤维和基体的界面发挥着重要的作用。如果纤维和基体的界面结合强度过低，基体和增强相难以结合到一起发挥出复合的优势。因此纤维增强ti/al3ti金属间化合物基层状复合材料中急需解决的一个问题就是纤维与基体的润湿性差、界面强度低的问题。

纤维增强复合材料中涉及到的主要问题是解决纤维与基体的润湿性。当纤维和基体的润湿性差，并且纤维和基体的热膨胀系数差异较大，还有在纤维增强复合材料制备过程中较高的温度和压力对纤维造成的损伤，都会影响复合材料的界面力学性能，故需要在纤维表面预先沉积一定厚度的金属，用以减少制备过程中纤维的损伤，同时改善纤维和基体的润湿性，增强界面结合强度，从而改善并提高复合材料的性能。当二者润湿性较差时，不但不能是达到纤维与基体的结合，还会很大程度的影响复合材料的性能。所以在纤维表面涂覆金属镍，使复合材料中纤维与基体的界面由金属与非金属的接触转变为金属与金属之间的接触，这样就可以很好地改善界面结合。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能提高纤维增强金属间化合物基层状复合材料的整体强度和塑韧性的提高sic纤维增强ti/al3ti金属间化合物层状复合材料界面强度的方法。

本发明的目的是这样实现的：

sic纤维先经过去胶、粗化、敏化、活化的预处理工艺之后，进行再经过化学镀镍和电镀镍；处理后的将sic纤维均匀且分散地铺在al箔表面，之后将tc4箔材和al箔材交错排列并保证上下表面均为tc4箔片；进行热压烧结。

本发明还可以包括：

1、所述化学镀镍具体包括：化学镀镀液的组成包括硫酸镍30g/l、次亚磷酸钠20g/l、柠檬酸三钠25g/l、氯化铵20g/l，用氨水调节ph值为8，之后将预处理后的sic纤维放入化学镀液中，恒温水浴60℃加热30分钟。

2、所述电镀镍具体包括：电镀液配制按如下顺序进行，(1)在容器中放入所需水量的1/2的水，加入硫酸镍、氯化镍，搅拌至全部溶解，硫酸镍浓度为260g/l、氯化镍浓度为40g/l；(2)在另一盛有1/2的水量的容器中溶解硼酸，硼酸浓度为40g/l，待硼酸全部溶解后，倒入步骤(1)已溶解好的镍盐溶液中；(3)加入十二烷基硫酸钠，十二烷基硫酸钠浓度为0.2g/l；电镀前，把sic纤维放在蒸馏水中浸润一段时间；电镀工艺参数为：电压3v，硼酸浓度50g/l，时间取5min，温度为30℃～50℃。

3、所述热压烧结具体包括：将准备好的材料放入真空热压炉中，热压炉的工艺参数为：1小时升温到630℃，保温30分钟，之后用30分钟将温度升高到650℃，保温30分钟之后，再用30分钟升温到660℃，恒温保持4个小时，之后随炉缓慢冷却，隔天取样。

4、在启动加热时，将压力值设为4mpa，当温度达到铝的熔点时将压力降至0mpa。

为了解决纤维与基体之间的润湿性问题，本发明提出了一种sic纤维先化学镀镍后电镀镍的工艺方法，之后将镀镍后的sic纤维引入到ti/al3ti金属间化合物基层状复合材料中，以此来提高纤维增强金属间化合物基层状复合材料的整体强度和塑韧性。

为了进一步提高ti/al3ti层状复合材料的塑韧性，本发明在原有的复合材料之中加入了强度、模量、耐高温性能和耐腐蚀性能都很优异，并且质量较轻的sic纤维。sic纤维加入到ti/al3ti层状复合材料中，进一步提高了ti/al3ti材料的塑韧性，而且使得这种材料的整体强度获得显著提高。但是sic纤维和基体这两者之间的润湿性很差，使得纤维与基体不能很好的结合在一起，这会对复合材料的性能产生很大程度的影响。本发明研究的内容在于将sic纤维表面先化学镀再电镀上一层镍来增加纤维与基体之间的润湿性，增强界面结合强度，同时可以减少复合材料在制备过程中热压对纤维的损伤，来达到改善ti/al3ti层状复合材料性能的目的。制备方法：sic纤维先经过表面去胶、粗化、敏化、活化的预处理工艺之后，放入化学镀液中，恒温水浴60℃保温30分钟，纤维表面便可得到均匀良好的化学镀镍层；然后进行电镀，取由正交实验得到的最佳电镀工艺参数，即电压取3v，硼酸浓度取50g/l，时间取5min，温度为30℃或者是50℃，将化学镀后的sic纤维放入电镀液中进行电镀；之后将电镀后的sic纤维加入tc4箔材和al箔材中，按设置的参数在真空热压炉中烧结。本发明在于能够成功解决sic纤维与基体之间的的润湿性差和界面结合弱的问题，从而能够改善ti/al3ti层状复合材料的塑韧性，并且使整体强度也能得到显提高。

附图说明

图1(a)至图1(d)是化学镀镍后sic纤维的外观形貌，可以看到镍镀层均匀致密并且结合良好；

图2(a)至图2(b)是化学镀镍后再电镀镍的sic纤维断口形貌，可以清楚的看到sic纤维表面有两层镀层，内层为化学镀镍层，外层为电镀镍层；

图3是镀镍后sic纤维在ti/al3ti层状复合材料中的界面特征，可以看到sic纤维和基体之间没有空隙和空洞存在，润湿性得到明显改善。

具体实施方式

本发明提出的镀镍sic纤维增强ti/al3ti金属间化合物基层状复合材料的制备方法包括：

一、sic纤维表面预处理和化学镀镍，(1)除胶：将碳化硅纤维在马弗炉中以400℃的温度加热处理30分钟，从而去除碳化硅纤维表面的胶质以及其他有机物；(2)粗化：将经过去胶处理的碳化硅纤维放入65％的浓硝酸中加热煮沸30分钟进行粗化处理，使得纤维表面留有酸侵蚀沟痕，呈现出粗糙的形貌，使碳化硅纤维比表面积增大，静置后用去离子水冲洗2次至中性，之后超声波震荡冲洗15分钟，以便使得纤维分散开；(3)敏化：配置15g/l氯化亚锡，盐酸40ml/l的混合溶液，加入少量锡粒(防止二价的锡离子被氧化)，配置成敏化液，将粗化后的碳化硅纤维放入敏化液中，超声震荡15分钟，从而能够在碳化硅纤维表面上吸附具有还原性的物质，而这种还原性物质在之后的活化处理时能够将活化剂还原成催化晶核。之后水洗两次，并且剪成100mm的若干短束；(4)活化：用硼氢化钠，乙酸镍，甲醇按照7：8：100的比例配置成活化液，之后将敏化后的碳化硅纤维放置其中，15分钟后取出水洗并且烘干；(5)化学镀镍：首先配制化学镀镀液，硫酸镍浓度为30g/l，次亚磷酸钠浓度为20g/l，柠檬酸三钠浓度为25g/l，氯化铵浓度为20g/l，用氨水调节ph值为8，之后将预处理后的碳化硅纤维放入化学镀液中，恒温水浴60℃加热30分钟，就可以得到镀层均匀良好的镀镍碳化硅纤维。

二、化学镀镍后的sic纤维再电镀镍，电镀液配制按如下顺序进行:(1)在烧杯中放入配制所需水量的1/2，加入称量好的硫酸镍、氯化镍，搅拌至全部溶解，主盐硫酸镍浓度为260g/l，阳极活化剂氯化镍浓度为40g/l；(2)在另一盛有1/2的水量的烧杯中溶解硼酸，缓冲剂硼酸浓度为40g/l，待硼酸全部溶解后，倒入已溶解好的镍盐溶液中；(3)把称量好的分散剂十二烷基硫酸钠加入溶液中，搅拌均匀，最后倒入电镀槽，十二烷基硫酸钠浓度为0.2g/l。电镀前，把碳化硅纤维放在蒸馏水中浸润一段时间使其分散开来，然后再放入电镀液中浸润，开始电镀。采用通过正交试验所确定的最佳电镀工艺参数，即电压取3v，硼酸浓度取50g/l，时间取5min，温度的最佳取值为30℃～50℃。

三、镀镍sic纤维增强ti/al3ti金属间化合物基层状复合材料的制备：取0.5mm厚100mm×100mm的tc4箔材四块和0.7mm厚100mm×100mm的al箔材三块，去除tc4箔材和al箔材表面的氧化膜，并用超声波清洗、乙醇浸泡干燥后将镀镍后的sic纤维均匀且分散的铺在铝箔表面，之后箔材交错排列，同时保证上下表面均为tc4箔片。

将准备好的试样放入真空热压炉中，热压炉的使用工艺参数为：1小时升温到630℃，保温30分钟，之后用30分钟将温度升高到650℃，保温30分钟之后，再用30分钟升温到660℃，恒温保持4个小时，之后随炉缓慢冷却，隔天取样。

在启动加热时，将压力值设为4mpa，当热压炉中的温度不断升高的时候，箔材受热膨胀压力会逐渐上升，当温度达到铝的熔点时，铝逐渐出现软化现象，此过程中铝箔会熔化，因此将压力降至0mpa，压头停止，防止铝液被挤出。在660℃保温4-5h之后，压力会开始上升至1mpa左右时说明ti-al固液反应结束固体热膨胀使压力上升，此时将压力升至2mpa，增加复合材料的界面结合强度并且使复合材料变得致密。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

步骤a：将sic纤维在马弗炉中以400℃的恒温加热处理30分钟从而去除碳化硅纤维外表面的胶质；

步骤b：将经过去胶处理的sic纤维放入65％的浓硝酸中加热煮沸30分钟进行粗化处理，用去离子水冲洗2次至中性，之后超声波震荡15分钟；

步骤c：用电子天平称取药品，配置敏化液，将粗化后的碳化硅纤维放入敏化液中，超声震荡冲洗15分钟，之后再水洗两次，并且剪成100mm的若干短束；

步骤d：称取药品，配置活化液，之后将敏化后的碳化硅纤维放入活化液中，15分钟后取出水洗并且烘干；

步骤e：用电子天平称取药品，配置化学镀液，之后将预处理后的碳化硅纤维放入化学镀液中，恒温水浴60℃恒温水浴加热30分钟；

步骤f：用电子天平称取药品，配置电镀液，然后把化学镀后的sic纤维放在蒸馏水中浸润一段时间使其分散开来，然后再放入电镀液中浸润，按最佳的电镀工艺参数开始电镀；

步骤g：取tc4箔材和al箔材，用剪板机将箔材剪成所需要的尺寸后用砂纸打磨，用水冲洗干净，然后在超声波清洗器中加入乙醇清洗箔材，最后吹干干燥备用。

步骤f：将镀镍后的sic纤维均匀且分散的铺在铝箔表面，之后箔材交错排列，同时保证上下表面均为tc4箔片。放入真空热压烧结炉中，采用真空热压烧结工艺进行制备。