碳纤维增强铝基复合材料的成型系统及材料的制作方法

本发明涉及碳纤维增强铝基复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强铝基复合材料的成型系统及材料。

背景技术：

界面结构连续的碳纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量、热导率高，热膨胀系数低，高温尺寸稳定性好等特点。与陶瓷材料相比具有耐冲击、韧性好、导热性和导电性好的特点，因此碳纤维增强铝基复合材料广泛应用于航天及航空等领域，在汽车工业、电子、体育用品、建筑领域也有广泛应用。常用的制备及成型方法有固态法和液态法两种，固态法主要为粉末冶金法和扩散粘结法；液态法主要有熔融浸润法、挤压铸造法和真空压力浸渗法等。但是现有技术中的连续碳纤维增强铝基复合材料制备工艺一般比较复杂，周期长，成本高，效率低，因此工艺简单的高性能复合材料是科学研究及的连续碳纤维增强铝基复合材料产业化的重点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种工艺简单且碳纤维与铝基结合效果好的碳纤维增强铝基复合材料的成型系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种碳纤维增强铝基复合材料的成型系统，其特征在于：包括熔炼坩埚，所述熔炼坩埚的外周设置有坩埚加热器，所述坩埚加热器用于对所述坩埚内的铝合金原料进行加热，使其熔化成为铝合金熔体；所述熔炼坩埚外的右侧设置有碳纤维丝轮，所述碳纤维丝轮上等间隔的缠绕有碳纤维丝；所述坩埚的正上方设置有导向轮，所述导向轮用于改变碳纤维丝的传送方向，使碳纤维丝浸入到熔炼坩埚的铝合金熔体内；所述坩埚的左侧设置有冷却装置，所述冷却装置用于对从坩埚内传送出来的碳纤维丝间的铝合金液膜进行冷却处理，使得液态铝膜定向凝固为固态铝膜，并与碳纤维丝凝固在一起形成碳纤维铝膜复合层；靠近所述冷却装置的左侧设置有第一挤压轧辊，所述第一挤压轧辊的左侧设置有第二挤压轧辊，所述第二挤压轧辊的上侧设置有铝箔轮，所述铝箔轮上缠绕有铝箔，所述第一挤压轧辊与所述第二挤压轧辊之间保持有间隙，且所述间隙的上方设置有第一加热器，所述第一加热器用于对进入所述间隙的铝箔和碳纤维铝膜复合层进行预热，所述间隙的下方设置有复合材料缠绕辊，所述缠绕辊的正下方设置有挤压平整轧辊，所述挤压平整轧辊和复合材料缠绕辊周围设置有第二加热器，所述第二加热器用于对所述碳纤维增强铝基复合材料和挤压平整轧辊进行加热处理；所述挤压平整轧辊与所述缠绕辊上缠绕的碳纤维增强铝基复合材料直接接触；

缠绕在所述碳纤维丝轮上的碳纤维丝通过导向轮改变方向后使碳纤维丝进入到铝合金熔体内，使碳纤维丝之间在界面张力的作用下挂满铝合金熔体形成铝合金液膜，铝合金液膜经过冷却装置的冷却处理后定向凝固为固态铝膜，并与碳纤维丝凝固在一起形成碳纤维铝膜复合层，碳纤维铝膜复合层被传送至第一挤压轧辊与所述第二挤压轧辊之间的间隙的上方，然后铝箔和碳纤维铝膜复合层同时进入到所述间隙内，首先通过第一加热器对间隙下方的碳纤维铝膜复合层和铝箔进行加热，然后通过第一挤压轧辊与第二挤压轧辊的挤压作用使两者结合到一起形成碳纤维增强铝基复合层，最后碳纤维增强铝基复合层先通过第二加热器的加热进行退火处理，再通过挤压平整轧辊的挤压与平整处理后缠绕到所述复合材料缠绕辊上，形成碳纤维增强铝基复合材料。

进一步的技术方案在于：所述系统还包括位于所述坩埚正上方的铝合金补料装置，所述铝合金补料装置用于向所述坩埚内补充铝合金原料。

进一步的技术方案在于：所述系统还包括位于所述坩埚底部的称重装置，所述称重装置用于测量所述坩埚以及其内的铝合金的总质量，用于根据测量的重量信息控制所述铝合金补料装置向所述坩埚内加入铝合金原料。

进一步的技术方案在于：所述碳纤维丝轮上形成有碳纤维丝放置槽，所述碳纤维丝缠绕到所述碳纤维丝放置槽内，通过碳纤维丝放置槽的限位作用保证相邻的两根碳纤维丝之间的距离。

进一步的技术方案在于：所述导向轮上形成有导向槽，所述导向槽与所述碳纤维丝放置槽一一对应，所述碳纤维丝通过所述导向槽的作用进入到铝合金熔体内；初始铝合金投料阶段，导向轮不与固体铝合金接触，制备工艺开始前，启动坩埚加热器使得固体铝合金熔化为铝合金熔体后，通过铝合金补料装置补充铝合金直至没过导向槽。

进一步的技术方案在于：所述挤压平整轧辊通过挤压平整轧辊升降装置设置在所述复合材料缠绕辊的正下方，随着所述复合材料被缠绕到所述缠绕辊上，所述挤压平整轧辊升降装置根据测力装置的反馈值来调整挤压平整轧辊的位置，使得挤压平整轧辊始终与所述缠绕辊最外侧的所述复合材料直接接触，通过所述挤压平整轧辊对所述复合材料进行挤压，提高所述铝箔与所述碳纤维铝膜复合层之间的结合效果。

进一步的技术方案在于：所述碳纤维丝轮、导向轮、第一挤压轧辊和碳纤维增强铝基复合材料形成的棒材在转动过程中线速度相等。

本发明还公开了一种碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于：使用所述系统进行制备。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述系统通过将碳纤维丝轮上的碳纤维丝均匀浸入到铝合金熔体中，在碳纤维丝间形成铝合金液膜，在冷却作用下铝合金液膜沿着碳纤维丝方向凝固并结合在一起形成碳纤维铝膜复合层，然后通过第一加热器对碳纤维铝膜复合层和铝箔进行预热后通过第一挤压轧辊和第二挤压轧辊轧制在一起，形成碳纤维增强铝基复合层，通过第二加热器退火其不断在挤压平整轧辊的挤压下缠绕到复合材料缠绕辊上形成碳纤维增强铝基复合材料，高温挤压增加了碳纤维增强铝基复合层与碳纤维增强铝基复合材料交界面的结合强度。因此，所述系统具有工艺简单、成本低且碳纤维与铝基结合效果好等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述系统的结构示意图；

图2是本发明实施例所述系统中导向轮的结构示意图；

其中：1、铝箔；2、第一加热器；3、第一挤压轧辊，碳纤维增强铝基复合材料；4、碳纤维丝；5、碳纤维铝膜复合层；5-1、铝合金液膜；6、熔炼坩埚；7、导向轮；7-1、导向槽；8、铝合金熔体；9、碳纤维丝轮；10、坩埚加热器；11、铝合金补料装置；12、测力装置；13、挤压平整轧辊；14、第二加热器；15、第二挤压轧辊；16、碳纤维增强铝基复合材料，第一挤压轧辊；17、称重装置；18、冷却装置；19、复合材料缠绕辊；20、缠绕挤压辊升降装置。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种碳纤维增强铝基复合材料的成型系统，包括熔炼坩埚6，所述熔炼坩埚6的外周设置有坩埚加热器10，所述坩埚加热器10用于对所述坩埚内的铝合金原料进行加热，使其熔化成为铝合金熔体8；所述熔炼坩埚6外的右侧设置有碳纤维丝轮9，所述碳纤维丝轮9上等间隔的缠绕有碳纤维丝4；所述坩埚的正上方设置有导向轮7，所述导向轮7用于改变碳纤维丝4的传送方向，使碳纤维丝4浸入到熔炼坩埚6的铝合金熔体内；所述坩埚的左侧设置有冷却装置18，所述冷却装置用于对从坩埚内传送出来的碳纤维间的铝合金液膜5-1进行冷却处理，使得液态铝膜定向凝固为固态铝膜，并与碳纤维丝凝固在一起形成碳纤维铝膜复合层5；所述冷却装置18的左侧设置有第一挤压轧辊3，所述第一挤压轧辊3的左侧设置有第二挤压轧辊15，所述第二挤压轧辊15的上侧设置有铝箔轮（图中未视出），所述铝箔轮上缠绕有铝箔1，所述第一挤压轧辊3与所述第二挤压轧辊15之间保持有间隙，且所述间隙的上方设置有第一加热器2，所述第一加热器2用于对进入所述间隙的铝箔1和碳纤维铝膜复合层5进行预热，所述间隙的下方设置有复合材料缠绕辊19，所述缠绕辊的正下方设置有挤压平整轧辊13，所述挤压平整轧辊13和复合材料缠绕辊19周围设置有第二加热器14，所述第二加热器14用于对所述碳纤维增强铝基复合材料16和挤压平整轧辊13进行加热处理；所述挤压平整轧辊13与所述缠绕辊上缠绕的碳纤维增强铝基复合材料16直接接触；

缠绕在所述碳纤维丝轮9上的碳纤维丝4通过导向轮7改变方向后使碳纤维丝4进入到铝合金熔体8内，使碳纤维丝4之间在界面张力的作用下挂满铝合金熔体形成铝合金液膜5-1，铝合金液膜5-1经过冷却装置18的冷却处理后定向凝固为固态铝膜，并与碳纤维丝凝固在一起形成碳纤维铝膜复合层5，碳纤维铝膜复合层5被传送至第一挤压轧辊3与所述第二挤压轧辊15之间的间隙的上方，然后铝箔1和碳纤维铝膜复合层5同时进入到所述间隙内，首先通过第一加热器2对间隙下方的碳纤维铝膜复合层5和铝箔2进行加热，然后通过第一挤压轧辊3与第二挤压轧辊15的挤压作用使两者结合到一起形成碳纤维增强铝基复合层21，最后碳纤维增强铝基复合层21通过挤压平整轧辊13的挤压与平整处理后缠绕到所述复合材料缠绕辊19上，形成碳纤维增强铝基复合材料16。

进一步的，如图1所示，所述系统还包括位于所述坩埚正上方的铝合金补料装置11，所述铝合金补料装置11用于向所述坩埚内补充铝合金原料，使所述系统能够完成所述复合材料的连续制备。

进一步的，如图1所示，所述系统还包括位于所述坩埚底部的称重装置17，所述称重装置17用于测量所述坩埚以及其内的铝合金的总质量，用于根据测量的重量信息控制所述铝合金补料装置11向所述坩埚内加入铝合金原料。

进一步的，如图1所示，所述碳纤维丝轮9上形成有碳纤维丝放置槽，所述碳纤维丝4缠绕到所述碳纤维丝放置槽内，通过碳纤维丝放置槽的限位作用保证相邻的两根碳纤维丝之间的距离。如图1-图2所示，所述导向轮7上形成有导向槽7-1，所述导向槽7-1与所述碳纤维丝放置槽一一对应，所述碳纤维丝4通过所述导向槽7-1的作用进入到铝合金熔体8内；初始铝合金投料阶段，导向轮7不与固体铝合金接触，制备工艺开始前，启动坩埚加热器10使得固体铝合金熔化为铝合金熔体8后，通过铝合金补料装置11补充铝合金直至没过导向槽7-1。

进一步的，如图1所示，所述的挤压平整轧辊13通过挤压平整轧辊升降装置20设置在所述复合材料缠绕辊19的正下方，随着所述复合材料被缠绕到所述缠绕辊上，所述挤压平整轧辊升降装置20根据测力装置12的反馈值来挤压平整轧辊13的位置，使得挤压平整轧辊13始终与所述缠绕辊最外侧的所述复合材料直接接触，通过所述挤压平整轧辊13对所述复合材料进行挤压和退火，提高所述铝箔1与所述碳纤维铝膜复合层5之间的结合效果。

进一步的，如图1所示，所述缠绕辊、碳纤维丝轮9、导向轮7、第一挤压轧辊3和碳纤维增强铝基复合材料16形成的棒材在转动过程中线速度相等。

本发明实施例还公开了一种碳纤维增强铝基复合材料的成型方法，所述成型方法使用碳纤维增强铝基复合材料成型系统，包括如下步骤：

1）首先将碳纤维丝4表面进行镀铜改性，对某一直径的碳纤维丝4或者不同型号的铝合金体系制备所述复合材料前，首先进行碳纤维丝4间距实验，通过逐渐提高或者降低碳纤维丝4之间的距离，以使得碳纤维丝4进入到铝合金熔体8后能够在相邻的碳纤维丝4之间形成完整的铝合金液膜，从而获得该合金体系的碳纤维丝间距范围，然后再根据需要选择具有宽度合适的导向槽7-1的导向轮7，以及具有宽度合适的碳纤维丝放置槽的碳纤维丝轮9，启动第一加热器2和第二加热器14；

2）将碳纤维丝4缠绕在碳纤维丝轮9上，每一根碳纤维丝4的自由端首先经过导向轮7上相应的导向槽7-1改变方向后进入到第一挤压轧辊3与所述第二挤压轧辊15之间的间隙缠绕到复合材料缠绕辊19上，将铝箔1通过第一挤压轧辊3与第二挤压轧辊15之间的间隙缠绕到复合材料缠绕辊19上，此时在初始阶段铝箔1与碳纤维丝4并未粘合在一起。

3）将铝合金原料添加到熔炼坩埚6中，此时导向轮7不与固体铝合金接触，启动坩埚加热器10，熔炼温度为700-1000℃，使得固体铝合金熔化为铝合金熔体8后，通过铝合金补料装置11补充铝合金直至没过导向槽7-1，并启动所述系统，使第一挤压轧辊3、第二挤压轧辊15、导热平整轧辊13、缠绕辊19和碳纤维丝轮9转动，转动线速度相同，其中第一挤压轧辊3与第二挤压轧辊15相对转动，挤压平整轧辊13与复合材料缠绕辊19相对转动，使得碳纤维丝4运动；

4）启动冷却装置18，然后使得碳纤维丝4不断通过导向轮7浸入到熔炼坩埚6的铝合金熔体中，碳纤维丝4离开铝合金熔体后，在碳纤维丝4间形成铝合金液膜5-1；

5）当铝合金液膜5-1经过冷却装置18上方时，在冷却装置作用下使得铝合金液膜5-1快速降温提高界面张力，当降温至铝合金凝固点以下时，铝合金液膜沿着碳纤维丝方向定向凝固并结合在一起形成碳纤维铝膜复合层5；碳纤维铝膜复合层5与铝箔1在第一挤压轧辊3与第二挤压轧辊15之间间隙的上方相遇，第一加热器2沿第一挤压轧辊3的长度方向设置，第一加热器2对其下方的碳纤维铝膜复合层5和铝箔1进行预热；

6）碳纤维铝膜复合层5与铝箔1在第一挤压轧辊3与第二挤压轧辊15的作用下形成连续的碳纤维增强铝基复合层21，预热增强了铝箔1与碳纤维铝膜复合层5的在挤压下的结合力；随着挤压平整轧辊13与复合材料缠绕辊19的转动，经过第二加热器14加热的碳纤维增强铝基复合层21不断在挤压平整轧辊13挤压下缠绕到复合材料缠绕辊19上形成碳纤维增强铝基复合材料16，后续碳纤维增强铝基复合材料16经过第二加热器14不断退火，再次经过挤压平整轧辊13的挤压，实现碳纤维增强铝基复合层21与已经缠绕形成的碳纤维增强铝基复合材料16的结合；第二加热器14同时也给挤压平整轧辊13预热，并将热量传给连续形成的碳纤维增强铝基复合材料16，防止过冷的挤压平整轧辊13降低增强碳纤维铝膜复合层5与铝箔1结合点的温度；

在制备碳纤维增强铝基复合材料16开始后，碳纤维增强铝基复合材料16的棒材不断增大，同时调节使得碳纤维增强铝基复合材料16的棒材的线速度稳定；

7）随着缠绕碳纤维增强铝基复合材料16的复合材料缠绕辊19的直径不断增大，碳纤维增强铝基复合材料16与挤压平整轧辊13之间的应力越来越大，此时通过测力装置12反馈该应力值，然后通过挤压平整轧辊升降装置20来调节挤压平整轧辊13位置实现复合材料缠绕辊19上最外层的碳纤维增强铝基复合材料16与挤压平整轧辊13之间的距离恒定；

8）伴随着连续碳纤维增强铝基复合材料3的制备，熔炼坩埚6中的铝合金熔体8减少，通过铝合金补料装置11向熔炼坩埚6不断添加铝合金原料，同时根据称重系统17的数值变化调整保证铝合金液膜5-1带离的铝合金的量与铝合金源进入熔炼坩埚6的量，直至达到所需尺寸或者重量的碳纤维增强铝基复合材料3。

所述系统和方法通过将碳纤维丝轮上的碳纤维丝均匀浸入到铝合金熔体中，在碳纤维丝间形成铝合金液膜，在冷却作用下铝合金液膜沿着碳纤维丝方向凝固并结合在一起形成碳纤维铝膜复合层，然后通过第一加热器对碳纤维铝膜复合层和铝箔进行预热后通过第一挤压轧辊和第二挤压轧辊轧制在一起，形成碳纤维增强铝基复合层，通过第二加热器退火其不断在挤压平整轧辊的挤压下缠绕到复合材料缠绕辊上形成碳纤维增强铝基复合材料，高温挤压增加了碳纤维增强铝基复合层与碳纤维增强铝基复合材料交界面的结合强度。因此，所述系统和方法具有工艺简单、成本低且碳纤维与铝基结合效果好等优点。