本发明属于碳纤维复合材料制备
技术领域：
，具体涉及一种短碳纤维铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
：如今传统的材料难以应付技术进步所需的性能。在寻找先进材料的过程中，研究人员对各种材料体系进行了创新，金属基复合材料是近几十年来最突出的材料体系之一。由于刚度、强度与重量比、高温性能和硬度的不同寻常组合，它们在飞机技术、电子工业和其它领域的应用正在显著增长。其中，铝基复合材料材料被认为是一种优良的金属基复合材料，由于密度低，易于生产，因此成本相对较低。铝基复合材料的研究始于20世纪50年代，铝基体常用的增强材料是碳化硅、氧化铝和铝硅酸盐。此外近几年来，碳纤维的性能得到了突飞猛进的提高，碳纤维由于其拥有低成本、高模量、高比强度和比刚度也可被视为优良的增强材料，但由于界面问题和制造问题，碳纤维铝基复合材料仍处于研究阶段。阻止碳纤维与基体间的反应，同时提高润湿性以及碳纤维和铝基体之间的粘结性是解决铝基复合材料界面问题的关键，碳纤维表面金属化是提高纤维增强复合材料性能的关键之一，它既能阻止纤维与基体的反应,又能提高润湿性，还使界面有一定的结合力，达到有效地传递载荷提高复合材料的力学性能。因此，碳纤维增强复合材料正成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。碳纤维的金属化是利用电镀、化学镀和CVD在其表面上形成单个金属或合金涂层。化学镀在降低成本和稳定性方面相对比较出色。而传统的碳纤维表面化学镀处理后的镀层厚度和稳定性不足以在后续制备中阻隔碳纤维与铝基反应生成脆性相Al4C3而降低复合材料的各项性能。而且现有方法在后续制备复合材料的过程中，通常会由于碳纤维分散不均而严重影响复合材料的性能。技术实现要素：针对上述现有技术，本发明提供一种短碳纤维铝基复合材料制备方法，以解决采用传统制备方法制备出的金属基碳纤维性能差的技术问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种短碳纤维铝基复合材料制备方法，包括以下步骤：(1)将短碳纤维依次经过去胶、粗化、敏化、活化、还原和干燥处理后，得待镀纤维；(2)对步骤(1)所得待镀纤维进行化学镀铜处理，得镀铜短碳纤维；在镀铜过程中以1ml/1.5min的量向镀液中添加40％NaOH溶液；镀铜温度为55℃～65℃，镀铜时间为40～45min；(3)将镀铜短碳纤维均匀分散到无水乙醇中，每隔1～1.5min取一次镀铜短碳纤维加入到处于持续搅拌状态下的铝粉浆料中，至镀铜碳纤维全部加入，继续搅拌2～2.5h，然后在60～65℃条件下进行真空干燥，干燥时间为2～2.5h，得混合粉末；其中，铝粉浆料为铝粉与无水乙醇按固液比为1:2～3混合后的产物；(4)对步骤(3)所得混合粉末进行放电等离子烧结，烧结温度为550～620℃，保温时间为7～15min，外加载荷为30～40Mpa；随后在200～220℃条件下时效处理16～20h，得到短碳纤维增强铝基复合材料。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，步骤(1)中短碳纤维处理的具体方法为：将短碳纤维加热至425～475℃，保温55～65min；再将去胶后短碳纤维置于55～65℃的浓HNO3中搅拌80～100min；接着将粗化后的短碳纤维置于敏化液中，先超声振荡5～7min，再搅拌5～7min；随后将敏化后的短碳纤维置于银氨溶液中搅拌5～7min；再将活化后的短碳纤维置于15～20g/L的次亚磷酸钠溶液中搅拌1～2min；最后在50～60℃条件下烘干得待镀纤维；以上每个步骤后都先用去离子水将短碳纤维冲洗至中性，再进行下一个步骤。进一步，敏化液为SnCl2·2H2O溶液与HCl溶液按体积比为1～2:1混合的混合溶液，其中SnCl2·2H2O溶液的浓度为25～30g/L，HCl溶液的浓度为40～50mL/L；银氨溶液为AgNO3溶液与氨水按体积比为1:1～2混合的混合溶液，其中，AgNO3溶液的浓度为5～10g/L，氨水的浓度为8～12mL/L。进一步，步骤(2)中镀液包括：进一步，步骤(3)中采用超声对镀铜后的短碳纤维进行分散，超声频率为15～20kHz，超声时间10～15min；镀铜短碳纤维与铝粉浆料按1:15～20的体积比混合。进一步，步骤(4)中进行等离子放电烧结时，烧结温度为600℃，保温时间为10min，外加载荷为40Mpa。采用上述制备方法，可以制备一种短碳纤维铝基复合材料，该复合材料包括质量百分数为3wt％～10wt％的镀铜短碳纤维和质量百分数为90wt％～97wt％的铝粉；其中，镀铜短碳纤维长度为2～3mm，直径小于20μm，铜镀层厚度为1um，铝粉的粒径为20～100um。本发明的有益效果是：1.经过去胶和粗化处理后的碳纤维表面含氧量高达25％，并且在强酸条件下也没有破坏碳纤维。通过敏化-活化-还原条件使得碳纤维表面分布均匀的活化点，使得化学镀中镀层更加均分并且拥有一定的结合力。2.传统化学镀铜工艺中镀层相对比较薄，铜颗粒粒度差异大，并且存在部分没有镀上铜层的纤维，尤其端部特别明显。而在本发明中通过在化学镀液中改善成分并在镀液中添加300mg/L的二联吡啶，抑制了铜颗粒的长大，使得镀层中铜颗粒粒度接近，镀层厚度更厚且更加均一，从而能够有效阻隔了铝基和短碳纤维的直接接触。3.镀铜短碳纤维在铝基的均匀性一直以来都是制备短碳纤维增强铝基复合材料的困难点。传统混粉工艺如球磨会导致短碳纤维镀铜层的破坏，本发明采用浆料混粉的工艺，并且采用超声细胞粉碎机将镀铜短碳纤维进行有效的分散，从而有效解决了短碳纤维分散性的问题。4.相比于其他短碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，放电等离子烧结的特性使得制备短碳纤维增强铝基复合材料的过程中具有烧结温度低、烧结时间短、升温速度快等优点。这些优点有效的减少了铝基和短碳纤维的接触的机会，并且SPS烧结中镀铜层一部分向铝基体扩散，从而形成良好的界面。5.在与同样制备方法制备的纯铝材料的性能对比中，短碳纤维增强铝基复合材料致密度为98.5％(纯铝材料致密度为98.5％)，硬度最高达到92.38Mpa(纯铝材料硬度49.37Mpa)，拉伸强度最高可达到202.05Mpa(纯铝材料拉伸强度为61.28Mpa)，抗弯强度最高可达到376.05Mpa(纯铝材料抗弯强度为115.63Mpa)，弹性模量最高可达到80.68Mpa(纯铝材料弹性模量为71.7Mpa)。综上，采用本发明方法所制备出的短碳纤维铝基复合材料，性能优越，能满足特殊场合的使用需求。附图说明图1为镀铜短碳纤维的显微组织形貌图；图2为短碳纤维铝基复合材料的显微组织形貌图；图3为短碳纤维铝基复合材料中短碳纤维与铝基的界面纤维组织形貌图；具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。实施例一预制备一种短碳纤维铝基复合材料，该材料中包括9wt％镀铜短碳纤维与91wt％的铝粉，其中，镀铜短碳纤维的长度为2～3mm，直径小于20μm，铜镀层的厚度为1um；铝为粒径为20～100um的铝粉。制备方法包括以下步骤：(1)将T-700原始短碳纤维放入箱式电阻炉中，在400℃条件下对碳纤维进行高温处理，并保温1h，随后炉冷至室温。用250ml体积分数为65％～68％的浓HNO3酸化3g脱胶短碳纤维。维持温度在60℃，磁力搅拌1.5h，随后用去离子水洗至中性。将分散均匀的短碳纤维加入敏化液中进行敏化处理，敏化液由30g/LSnCl2·2H2O溶液与40mL/LHCl的溶液按1:1的体积比混合而成，敏化处理采用“5min超声振荡-7min磁力搅拌-5min室温静置”的方式，随后用去离子洗至中性。将敏化处理后的短碳纤维置于银氨溶液中进行活化处理，银氨溶液由AgNO3溶液与氨水按按1:1的体积比混合而成，其中，AgNO3溶液的浓度为10g/L，氨水的浓度为8mL/L，活化处理采用“5min磁力搅拌-5min室温静置”的方式，随后用去离子洗至中性。最后将活化后的短碳纤维加入20g/L的次亚磷酸钠溶液中进行还原处理，活化处理采用“1min人工搅拌-3min室温静置”方式，随后用去离子洗至中性。将预处理完的短碳纤维置于60℃的干燥箱里进行干燥，得待镀纤维。(2)配制1000ml的化学镀液，借助超声波清洗器，使得15gCuSO4·5H2O充分溶于适量的去离子水中，把此视为第一组溶液。然后另取一个新的烧杯称量25gEDTA-2Na，同样借助超声波清洗器使其充分溶解于去离子水中，再在其中加入20g的酒石酸钾钠充分溶解，将此视为第二组溶液。缓慢将配制的第一组溶液加入到第二组溶液中，随后加入300mg/L二联吡啶。然后加入3g碳纤维，定容至1000ml。将配好的化学镀液置在60℃的恒温水浴锅中保温，并低速机械搅拌。待镀液温度接近60℃时，用10％NaOH溶液调节溶液pH为12.5，滴加甲醛溶液5ml，3min后，再将10ml甲醛溶液缓慢滴入到镀液中。镀铜总时长为45min。在实验的过程中，由于反应会消耗NaOH，因此配制40％NaOH溶液，以1ml/1.5min的速率滴加到镀液中，可以维持反应所需pH。镀铜结束后用去离子水对碳纤维进行清洗，将表面残留的镀液洗干净，洗至中性。随后在无水乙醇中超声浸泡3min，利用乙醇的低沸点去除水分，避免碳纤维表面的铜层在有水和氧气的环境发生氧化，影响材料的性能，最后置于60℃的干燥箱里进行干燥。(3)使用浆料混粉法对质量分数为9wt％的镀铜短碳纤维和91wt％的铝粉进行混粉。将无水乙醇加入镀铜碳纤维中，采用20kHz的超声波超声分散10min，其中每隔1min取一次磁力搅拌均匀的碳纤维加入到正在机械搅拌的铝粉浆料中，直到全部镀铜碳纤维加入，其中，铝粉浆料为铝粉与无水乙醇的固液比为1:2～3混合后的产物，加入的镀铜碳纤维无水乙醇溶液与铝粉浆料的体积比为1:15。随之进行2.5h的机械搅拌。之后将混合粉末放入60℃恒温干燥箱中进行真空干燥，去除无水乙醇。(4)将混合粉末填充到石墨烧结模具中进行放电等离子烧结处理，烧结条件为：烧结温度600℃，外加载荷30MPa，保温10min，所用真空度为0.05mbar。烧结完成后在200℃条件下时效处理20h，得到短碳纤维增强铝基复合材料。实施例二(1)将T-700原始短碳纤维放入箱式电阻炉中，在480℃条件下对碳纤维进行高温处理，并保温50min，随后炉冷至室温。用250ml体积分数为65％～68％的浓HNO3酸化3g脱胶短碳纤维。维持温度在55℃，磁力搅拌100min，随后用去离子水洗至中性。将分散均匀的短碳纤维加入敏化液中进行敏化处理，敏化液由25g/LSnCl2·2H2O溶液与40mL/LHCl的溶液按2:1的体积比混合而成，敏化处理采用“7min超声振荡-5min磁力搅拌-5min室温静置”的方式，随后用去离子洗至中性。将敏化处理后的短碳纤维置于银氨溶液中进行活化处理，银氨溶液由AgNO3溶液与氨水按按1:2的体积比混合而成，其中，AgNO3溶液的浓度为2g/L，氨水的浓度为12mL/L，活化处理采用“7min磁力搅拌-5min室温静置”的方式，随后用去离子洗至中性。最后将活化后的短碳纤维加入20g/L的次亚磷酸钠溶液中进行还原处理，活化处理采用“2min人工搅拌-3min室温静置”方式，随后用去离子洗至中性。将预处理完的短碳纤维置于60℃的干燥箱里进行干燥，得待镀纤维。(2)配制1000ml的化学镀液，借助超声波清洗器，使得15gCuSO4·5H2O充分溶于适量的去离子水中，把此视为第一组溶液。然后另取一个新的烧杯称量25gEDTA-2Na，同样借助超声波清洗器使其充分溶解于去离子水中，再在其中加入20g的酒石酸钾钠充分溶解，将此视为第二组溶液。缓慢将配制的第一组溶液加入到第二组溶液中，随后加入300mg/L二联吡啶。然后加入3g碳纤维，定容至1000ml。将配好的化学镀液置在60℃的恒温水浴锅中保温，并低速机械搅拌。待镀液温度接近65℃时，用10％NaOH溶液调节溶液pH为12.5，滴加甲醛溶液5ml，3min后，再将10ml甲醛溶液缓慢滴入到镀液中。镀铜总时长为40min。在实验的过程中，由于反应会消耗NaOH，因此配制40％NaOH溶液，以1ml/1.5min的速率滴加到镀液中，可以维持反应所需pH。镀铜结束后用去离子水对碳纤维进行清洗，将表面残留的镀液洗干净，洗至中性。随后在无水乙醇中超声浸泡3min，利用乙醇的低沸点去除水分，避免碳纤维表面的铜层在有水和氧气的环境发生氧化，影响材料的性能，最后置于60℃的干燥箱里进行干燥。(3)使用浆料混粉法对质量分数为9wt％的镀铜短碳纤维和91wt％的铝粉进行混粉。将无水乙醇加入镀铜碳纤维中，采用15kHz的超声波超声分散15min，其中每隔1.5min取一次磁力搅拌均匀的碳纤维加入到正在机械搅拌的铝粉浆料中，直到全部镀铜碳纤维加入，其中，铝粉浆料为铝粉与无水乙醇的固液比为1:2～3混合后的产物，加入的镀铜碳纤维无水乙醇溶液与铝粉浆料的体积比为1:15。随之进行2.5h的机械搅拌。之后将混合粉末放入60℃恒温干燥箱中进行真空干燥，去除无水乙醇。(4)将混合粉末填充到石墨烧结模具中进行放电等离子烧结处理，烧结条件为：烧结温度550℃，外加载荷40MPa，保温15min，所用真空度为0.05mbar。烧结完成后在220℃条件下时效处理16h，得到短碳纤维增强铝基复合材料。对比例一(1)将T-700原始短碳纤维放入箱式电阻炉中，在400℃条件下对碳纤维进行高温处理，并保温1h，随后炉冷至室温。用250ml体积分数为65％～68％的浓HNO3酸化3g脱胶短碳纤维。维持温度在60℃，磁力搅拌1.5h，随后用去离子水洗至中性。将分散均匀的短碳纤维加入敏化液中进行敏化处理，敏化液由30g/LSnCl2·2H2O溶液与40mL/LHCl的溶液按1:1的体积比混合而成，敏化处理采用“5min超声振荡-7min磁力搅拌-5min室温静置”的方式，随后用去离子洗至中性。将敏化处理后的短碳纤维置于银氨溶液中进行活化处理，银氨溶液由AgNO3溶液与氨水按按1:1的体积比混合而成，其中，AgNO3溶液的浓度为10g/L，氨水的浓度为8mL/L，活化处理采用“5min磁力搅拌-5min室温静置”的方式，随后用去离子洗至中性。最后将活化后的短碳纤维加入20g/L的次亚磷酸钠溶液中进行还原处理，活化处理采用“1min人工搅拌-3min室温静置”方式，随后用去离子洗至中性。将预处理完的短碳纤维置于60℃的干燥箱里进行干燥，得待镀纤维。(2)配制1000ml的化学镀液，借助超声波清洗器，使得15gCuSO4·5H2O充分溶于适量的去离子水中，把此视为第一组溶液。然后另取一个新的烧杯称量25gEDTA-2Na，同样借助超声波清洗器使其充分溶解于去离子水中，再在其中加入20g的酒石酸钾钠充分溶解，将此视为第二组溶液。缓慢将配制的第一组溶液加入到第二组溶液中，随后加入300mg/L二联吡啶。然后加入3g碳纤维，定容至1000ml。将配好的化学镀液置在60℃的恒温水浴锅中保温，并低速机械搅拌。待镀液温度接近60℃时，用10％NaOH溶液调节溶液pH为12.5，滴加甲醛溶液5ml，3min后，再将10ml甲醛溶液缓慢滴入到镀液中。镀铜总时长为45min。在实验的过程中，由于反应会消耗NaOH，因此配制40％NaOH溶液，以1ml/1.5min的速率滴加到镀液中，可以维持反应所需pH。镀铜结束后用去离子水对碳纤维进行清洗，将表面残留的镀液洗干净，洗至中性。随后在无水乙醇中超声浸泡3min，利用乙醇的低沸点去除水分，避免碳纤维表面的铜层在有水和氧气的环境发生氧化，影响材料的性能，最后置于60℃的干燥箱里进行干燥。(3)将干燥后的镀铜短碳纤维直接加入到铝粉浆料中，其中，铝粉浆料为铝粉与无水乙醇的固液比为1:2～3混合后的产物。随之进行2.5h的机械搅拌。之后将混合粉末放入60℃恒温干燥箱中进行真空干燥，去除无水乙醇。(4)将混合粉末填充到石墨烧结模具中进行放电等离子烧结处理，烧结条件为：烧结温度600℃，外加载荷30MPa，保温10min，所用真空度为0.05mbar。烧结完成后在200℃条件下时效处理16h，得到短碳纤维增强铝基复合材料。对比例二(1)将T-700原始短碳纤维放入箱式电阻炉中，在400℃条件下对碳纤维进行高温处理，并保温1h，随后炉冷至室温。用250ml体积分数为65％～68％的浓HNO3酸化3g脱胶短碳纤维。维持温度在60℃，磁力搅拌1.5h，随后用去离子水洗至中性。将分散均匀的短碳纤维加入敏化液中进行敏化处理，敏化液由30g/LSnCl2·2H2O溶液与40mL/LHCl的溶液按1:1的体积比混合而成，敏化处理采用“5min超声振荡-7min磁力搅拌-5min室温静置”的方式，随后用去离子洗至中性。将敏化处理后的短碳纤维置于银氨溶液中进行活化处理，银氨溶液由AgNO3溶液与氨水按按1:1的体积比混合而成，其中，AgNO3溶液的浓度为10g/L，氨水的浓度为8mL/L，活化处理采用“5min磁力搅拌-5min室温静置”的方式，随后用去离子洗至中性。最后将活化后的短碳纤维加入20g/L的次亚磷酸钠溶液中进行还原处理，活化处理采用“1min人工搅拌-3min室温静置”方式，随后用去离子洗至中性。将预处理完的短碳纤维置于60℃的干燥箱里进行干燥，得待镀纤维。(2)配制1000ml的化学镀液，借助超声波清洗器，使得15gCuSO4·5H2O充分溶于适量的去离子水中，把此视为第一组溶液。然后另取一个新的烧杯称量25gEDTA-2Na，同样借助超声波清洗器使其充分溶解于去离子水中，再在其中加入20g的酒石酸钾钠充分溶解，将此视为第二组溶液。缓慢将配制的第一组溶液加入到第二组溶液中。然后加入3g碳纤维，定容至1000ml。将配好的化学镀液置在60℃的恒温水浴锅中保温，并低速机械搅拌。待镀液温度接近60℃时，用10％NaOH溶液调节溶液pH为12.5，滴加甲醛溶液5ml，3min后，再将10ml甲醛溶液缓慢滴入到镀液中。镀铜总时长为45min。在实验的过程中，由于反应会消耗NaOH，因此配制40％NaOH溶液，以1ml/1.5min的速率滴加到镀液中，可以维持反应所需pH。镀铜结束后用去离子水对碳纤维进行清洗，将表面残留的镀液洗干净，洗至中性。随后在无水乙醇中超声浸泡3min，利用乙醇的低沸点去除水分，避免碳纤维表面的铜层在有水和氧气的环境发生氧化，影响材料的性能，最后置于60℃的干燥箱里进行干燥。(3)将干燥后的镀铜短碳纤维直接加入到铝粉浆料中，其中，铝粉浆料为铝粉与无水乙醇的固液比为1:2～3混合后的产物。随之进行2.5h的机械搅拌。之后将混合粉末放入60℃恒温干燥箱中进行真空干燥，去除无水乙醇。(4)将混合粉末填充到石墨烧结模具中进行放电等离子烧结处理，烧结条件为：烧结温度600℃，外加载荷30MPa，保温10min，所用真空度为0.05mbar。烧结完成后在200℃条件下时效处理16h，得到短碳纤维增强铝基复合材料。结果分析图1给出的是实施例中的镀铜短碳纤维的显微组织形貌图，从中可以看出，短碳纤维的表面的铜颗粒粒度相差不大，而且短碳纤维表面均被通颗粒覆盖，铝基和短碳纤维的不会直接接触。图3给出了短碳纤维铝基复合材料中短碳纤维与铝基的界面纤维组织形貌图，从中可以看出短碳纤维与铝基具有良好的界面。测定了实施例和对比例中复合材料的致密度、硬度、拉伸强度和抗弯强度，结果列于表1。表1复合材料的性能分析实施例一实施例二对比例一对比例二致密度/％98.598.582.187.4硬度/MPa90.7892.3873.1978.64拉伸强度/MPa198.58202.05172.36181.47抗弯强度/MPa359.73376.05278.89298.34从表中可以看出，不管是实施例还是对比例，制备出的复合材料性能与纯铝相比均有提高，但实施例明显比对比例提高的更多。对比例一与实施例一相比，短碳纤维与铝粉浆料混合时，短碳纤维没有经过充分分散，导致短碳纤维与铝基之间的界面较差，严重影响复合材料的性能。对比例二与实施例一相比，短碳纤维在进行电镀时，镀液中缺少二联吡啶，电镀过程中，不能抑制铜颗粒的长大，镀层厚度不均匀，铝基和短碳纤维会直接接触，影响复合材料的性能。虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。当前第1页1 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