一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料的制备及应用的技术领域。
【背景技术】
[0002]镁及镁合金具有低密度、高比强度和高比模量，具有良好的阻尼减震性能、电磁屏蔽性和环境相容性；但本身的刚度、强度、热膨胀系数低，高温条件下易塑性变形，在大气中的耐腐蚀性能差，使应用受到了极大限制。
[0003]碳纤维具有低密度、高强度、高模量、低热膨胀、耐辐射的优良性能，碳纤维不仅具有碳材料的力学性能，还具有纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
[0004]以镁和碳纤维复合制备碳纤维增强镁基复合材料，将具有密度低、比强度、比模量高，热膨胀系数低，在较大温度范围内具有良好的尺寸稳定性，在多种工业领域具有广阔的应用前景，镁及碳纤维还具有生物学特性，亦可应用于生物材料领域，有非常广阔的发展前景。
[0005]目前加工碳纤维镁基复合材料的方法是液相浸渗法，但这种方法存在工艺复杂、成本高的缺点，同时还存在镁与碳纤维润湿性差的问题。
【发明内容】
[0006]发明目的
[0007]本发明的目的是针对【背景技术】的现状，以镁、碳纤维为原料，经碳纤维预处理、碳纤维表面镀锌、球磨混粉、放电等离子烧结、乳制，制成碳纤维增强镁基复合材料，以提高镁基复合材料的力学性能，扩展应用范围。
[0008]技术方案
[0009]本发明使用的化学物质材料为:镁、碳纤维、丙酮、去离子水、无水乙醇、硫酸锌、氯化铵、硼酸、锌板、石墨块、石墨垫块、石墨压块、石墨纸，其准备用量如下:以克、毫米、毫升为计量单位
[0010]镁:Mg1000g±0.0lg
[0011]碳纤维:C50g±0.0lg
[0012]丙酮！C3H6O1500mL±5mL
[0013]去离子水:H203000mL±10mL
[0014]硫酸锌:ZnS04300g±0.0lg
[0015]氯化铵:NH4C110g±0.01g
[0016]硼酸:H3B0310g±0.01g
[0017]石墨块:C500mmX 500mmX 10Omm
[0018]石墨塾块:C200mmX 160mmX 50mm
[0019]石墨压块:C200mmX 160mmX 50mm
[0020]石墨纸:C1000mmX ImmX 500mm
[0021]无水乙醇:C2H6O100mLilOmL
[0022]锌板:Zn60mm X 70mm X 3mm
[0023]砂纸:400目 300mm X 0.5mm X 200mm
[0024]制备方法如下:
[0025](I)精选化学物质材料
[0026]对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制:
[0027]镁:固态粉体99.99%
[0028]碳纤维:固态纤维99.6%
[0029]丙酮:液态液体99.9%
[0030]去离子水:液态液体99.9%
[0031]硫酸锌:固态粉体99.5%
[0032]氯化铵:固态粉体99.5%
[0033]硼酸:固态粉体99.5%
[0034]石墨块:固态块体98.5%
[0035]石墨垫块:固态块体98.5%
[0036]石墨压块:固态块体98.5%
[0037]石墨纸:固态纸状98.5%
[0038]无水乙醇:液态液体99.7%
[0039]锌板:固态板状99.99%
[0040]砂纸:固态板状
[0041](2)制作石墨模具
[0042]石墨模具用石墨块制作，模具型腔为矩形腔体，型腔尺寸为200mm X 160mm X 10Omm,型腔表面粗糖度 Ra < 0.08 ?0.16 μ m ;
[0043](3)预处理碳纤维
[0044]①将碳纤维放入真空热处理炉中，密闭，然后抽取炉内空气，使炉腔内压强达2Pa，然后进行加热至400°C ±5°C，恒温保温15min，然后停止加热，随炉冷却至25°C ;
[0045]②将冷却后的碳纤维放入丙酮中，浸泡2h ；
[0046]③用去离子水清洗，晾干；
[0047](4)碳纤维表面镀锌
[0048]①配制镀锌液，称取硫酸锌300g±0.0lg，氯化铵7g±0.0lg，硼酸5g±0.0lg，放入烧杯中，溶于100mL去离子水中，搅拌溶解，pH为3.9，呈酸性；
[0049]②装束碳纤维，将碳纤维装束成条状，尺寸为i>10mmX80mm;
[0050]③镀锌，将镀锌液置于镀锌槽中，将装束的碳纤维垂直放入镀锌槽内，并固定为阴极；将锌板垂直放入镀锌槽内，并固定为阳极；镀锌液要淹没碳纤维、锌板；
[0051]④接通阴极、阳极电源，电压220V，电流强度1A，镀锌时间为5min;
[0052]⑤镀锌后，将碳纤维取出晾干；
[0053]⑥清洗，将镀锌后的碳纤维置于烧杯中，加入去离子水lOOOmL，浸泡、搅动清洗lOmin，清洗后瞭干；
[0054]⑦真空干燥，将晾干的碳纤维置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度为100°C，真空度20Pa，干燥时间300min ；
[0055]⑧剪切碳纤维，将镀锌后的碳纤维剪切成条状，长度< Imm ;
[0056](5)配制、球磨
[0057]①在真空手套箱中称取镁粉932g±0.0lg、碳纤维28g±0.0lg，装入球磨罐，并密闭；
[0058]②将球磨罐置于球磨机上，进行球磨，球磨速度300r/min，球磨时间60min，球磨后成混合细粉；
[0059](6)装模
[0060]将石墨模具垂直置于钢质平板上，将石墨垫块置于模具型腔底部，将石墨纸置于石墨垫块上，然后将混合细粉置于石墨纸上部，上部用石墨纸盖住，并由石墨压块压牢；
[0061](7)真空放电等离子烧结成型
[0062]碳纤维增强镁基复合材料的烧结是在真空放电等离子烧结炉内进行的，是在真空状态下，加热、施压过程中完成的；
[0063]①将装模的石墨模具平行垂直移入真空放电等离子烧结炉内的工作台上，并由上压块、压力块垂直压牢；
[0064]②关闭真空放电等离子烧结炉，并密闭；
[0065]③开启外水循环冷却管，进行外水循环冷却；
[0066]④开启真空泵，抽取炉内空气，使炉腔内压强达5Pa，并恒定；
[0067]⑤开启放电等离子炉加热开关，加热炉腔内的石墨模具及混合细粉，加热温度420 °C ± 2 °C，恒温保温时间为20min ；
[0068]开启压力电机，对石墨模具内的混合细粉施压，施压压强40MPa ；
[0069]在加热、施压过程中，石墨模具内的混合细粉烧结成型为块体；
[0070]⑥烧结成型后，停止加热，继续施压，使块体随炉冷却至25°C ；
[0071]⑦开炉，开模，取出块体，即为碳纤维增强镁基复合材料块体；
[0072](8)清理块体表面
[0073]将块体材料置于钢质平板上，用砂纸打磨块体正反表面及周边，使其光洁；
[0074](9)轧制
[0075]①将块体材料置于加热炉中，进行预热，预热温度280°C，预热时间30min ；
[0076]②将预热的块体材料置于热轧机上，进行垂直热轧成型，热轧后块体材料为板型，板型厚度为Imm ；
[0077](10)清理、清洁板形表面
[0078]将板形材料置于钢质平板上，用机械对板形材料周边进行切割；然后用砂纸对正反表面及周边进行打磨；
[0079]用无水乙醇清洗板形材料周边及正反表面，使其洁净；
[0080](11)检测、分析、表征
[0081]对制备的碳纤维增强镁基复合材料进行检测、分析、表征；
[0082]用扫描电子显微镜对复合材料断面进行形貌分析；
[0083]用万能试验机对复合材料进行力学性能测试分析；
[0084]结论:制备的碳纤维增强镁基复合材料，显微硬度达到58HV，抗弯强度达到206MPa，抗拉强度达到172MPa ；
[0085](12)储存
[0086]制备的碳纤维增强镁基复合材料用软质材料真空包装，储存于阴凉洁净环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20°C，相对湿度< 10%。
[0087]有益效果
[0088]本发明与【背景技术】相比具有明显的先进性，采用镁、碳纤维为原料，碳纤维表面镀锌、球磨混粉、装模、真空放电等离子烧结、乳制，制成碳纤维增强镁基复合材料，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，碳纤维表面的镀锌层可有效改善碳纤维与镁基体的润湿性，界面结合良好，制备的碳纤维增强镁基复合材料显微硬度达58HV，抗弯强度达到206MPa，抗拉强度达到172MPa，是十分理想的碳纤维增强镁基复合材料的制备方法。
【附图说明】
[0089]图1、碳纤维增强镁基复合材料真空放电等离子烧结状态图
[0090]图2、碳纤维增强镁基复合材料断面形貌图
[0091]图中所示，附图标记清单如下:
[0092]1、真空放电等离子烧结炉，2、顶座，3、底座，4、支座，5、外水循环冷却管，6、真空泵，7、真空管，8、冷却水箱，9、水泵，10、进水管，11回水管，12、工作台，13、压力块，14、石墨模具，15、下垫块，16、第一石墨纸，17、混合细粉，18、第二石墨纸，19、上压块，20、出气管阀，21、压力电机，22、电控箱，23、显示屏，24、指示灯，25、加热温度控制器，26、真空泵控制器，27、水泵控制器，28、压力电机控制器，29、第一导线，30、第二导线，31、第三导线，32、炉腔。
【具体实施方式】
[0093]以下结合附图