一種碳纖維表面金屬鋁涂層的制備裝置及方法與流程

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本發明屬于表面涂層制備裝置技術領域，具體涉及一種碳纖維表面金屬鋁涂層的制備裝置及方法。

背景技術：

碳纖維是一種含碳量95％以上的低密度、高強度、高模量比的新型纖維材料，具有良好的耐磨性、耐熱性、導電性、潤滑性和耐酸堿性，是一種極具發展潛力和廣闊應用前景的增強體材料。其復合材料被廣泛地應用于航空航天、機械工程以及生物陶瓷等領域。但是，在利用碳纖維增強金屬基復合材料時由于纖維和基體金屬的潤濕性、化學相容性差，所以限制了它的應用。因此，為改善碳纖維和基體金屬之間的結合性能，綜合提高碳纖維的強韌效果，一種行之有效的方法就是對碳纖維進行表面金屬化處理。

目前，對于碳纖維表面金屬涂層的制備，最常見的方法包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍及化學鍍等。其中，物理、化學氣相沉積所需設備昂貴、操作復雜、涂層制備時間長、能耗大，而電鍍、化學鍍法對被鍍涂層金屬活潑性又有嚴格的要求，特別是在碳纖維表面制備金屬鋁涂層時，電鍍及化學鍍法不能有效地解決以下問題：1)制備鋁涂層時需要將基體較長時間浸漬于高溫熔鹽中，對碳纖維力學性能損傷大；2)鋁涂層的厚度及均勻性難以有效控制；3)無法實現碳纖維表面鋁涂層的連續制備。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種碳纖維表面金屬鋁涂層的制備裝置及方法，以克服上述現有技術存在的缺陷，本發明通過控制纖維的拉絲速度和熔料鋁液的擠出壓力可以實現碳纖維表面快速、連續制備鋁涂層，減少碳纖維與熔料鋁液的接觸時間，有效防止碳纖維力學性能的降低；本發明裝置結構合理、操作簡單、工作效率高、生產質量好。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種碳纖維表面金屬鋁涂層的制備裝置，包括用于在碳纖維表面成型鋁涂層的成型裝置，成型裝置的下側設置有用于對包覆鋁涂層的碳纖維進行冷卻的冷卻裝置，冷卻裝置的下側設置有用于對包覆鋁涂層的碳纖維進行收集的收集裝置；

所述成型裝置包括熔料罐，熔料罐的側壁上均勻設置有若干供碳纖維通過的軸向通孔，軸向通孔與熔料罐的內部之間設有出料口，軸向通孔與熔料罐的外部之間設有溢料口，熔料罐的頂部設有進料口及加壓口。

進一步地，軸向通孔的頂部設有向軸向通孔中通入保護性氣體的通氣口。

進一步地，軸向通孔與熔料罐的外部之間還設有排氣口，且排氣口的位置高于溢料口的位置，溢料口的位置高于出料口的位置。

進一步地，熔料罐的外側設有隔熱板。

進一步地，軸向通孔的底部為階梯狀漏斗。

進一步地，所述冷卻裝置包括冷卻室，冷卻室中設置有冷卻元件，且冷卻室上開設有供碳纖維穿過的通孔。

進一步地，所述收集裝置包括用于改變包覆鋁涂層的碳纖維走向的導向輪以及用于收集包覆鋁涂層的碳纖維的輥筒，輥筒的端部設有用于調整拉絲速度的速率調節器和用于顯示拉絲速度的速率表。

進一步地，進料口上設有用于對其進行密封的進料螺栓。

進一步地，熔料罐的頂部還設有壓力表。

一種碳纖維表面金屬鋁涂層的制備方法采用上述的一種碳纖維表面金屬鋁涂層的制備裝置，包括以下步驟：

步驟一：檢查熔料罐的氣密性；

步驟二：將熔融的鋁液通過進料口加入到熔料罐中，將碳纖維置于軸向通孔中；

步驟三：打開冷卻裝置降溫至設定溫度；

步驟四：調節收集裝置，保持碳纖維拉絲速度穩定至5.0-10.0mm/s；

步驟五：通過加壓口向熔料罐加壓，在0.1MPa-0.5MPa壓力下使熔料鋁液通過出料口進入到軸向通孔中；

步驟六：在恒定壓力下持續向軸向通孔進料，待熔料鋁液到達溢料口時自動排出多余熔料，包覆鋁涂層的碳纖維依次通過冷卻裝置和收集裝置即完成碳纖維表面金屬鋁涂層的制備。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

本發明裝置結構設計合理，能夠實現碳纖維表面熔料鋁液的連續浸漬，通過控制熔料罐壁上的軸向通孔數量實現多組碳纖維同時浸漬，工作效率高；裝置底部設計的冷卻裝置，可以實現碳纖維表面鋁涂層涂覆完成后快速冷卻得到成品，無需其他處理，生產效率高；本發明通過控制纖維的拉絲速度和熔料鋁液的擠出壓力可以實現碳纖維表面快速、連續制備鋁涂層，減少碳纖維與熔料鋁液的接觸時間，有效防止碳纖維力學性能的降低；本發明裝置結構合理、操作簡單、工作效率高、生產質量好。

進一步地，軸向通孔頂部設置通氣口，用于向軸向通孔中通入保護性氣體，以避免熔料鋁液與空氣發生反應。

進一步地，通過設置排氣口排出不斷通入的保護氣體，避免軸向通孔中壓力過大，通過設置溢料口，自動排出多余熔料，防止鋁液充滿軸向通孔。

進一步地，熔料罐的外側設有隔熱板，防止鋁液熱量流失。

進一步地，軸向通孔底部設置的階梯狀漏斗可以實現逐層減薄鋁涂層并改善涂層表面質量的目的，最終在碳纖維表面獲得厚度均勻的鋁涂層。

進一步地，通過設置進料螺栓，在進料后將進料口密封，以便控制熔料罐中壓力。

本發明方法通過控制纖維的拉絲速度和熔料鋁液的擠出壓力可以實現碳纖維表面快速、連續制備鋁涂層，減少碳纖維與熔料鋁液的接觸時間，有效防止碳纖維力學性能的降低。

附圖說明

圖1為本發明碳纖維表面金屬鋁涂層制備裝置的結構示意圖；

圖2為圖1中A處的放大圖。

其中，1-進料螺栓，2-進料口，3-壓力表，4-加壓口，5-熔料罐，6-隔熱板，7-冷卻室，8-導向輪，9-輥筒，10-速率表，11-冷卻元件，12-出料口，13-溢料口，14-排氣口，15-軸向通孔，16-通氣口。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明：

參見圖1至圖2，一種碳纖維表面金屬鋁涂層的制備裝置，包括成型裝置、冷卻裝置和收集裝置。成型裝置包括熔料罐5、隔熱板6，熔料罐5的材料為剛玉陶瓷，熔料罐5頂部安裝有進料口2、加壓口4和壓力表3，進料口2處安裝有用于封閉進料口2的進料螺栓1，熔料罐5側壁位置處設置有出料口12、溢料口13和排氣口14，且熔料罐5側壁上均勻設置四個軸向通孔15，出料口12處安裝有閥門，出料口12在側壁均勻分布且和軸向通孔15相通，軸向通孔15接近熔料罐5底部位置為階梯狀漏斗，軸向通孔15上端設置有通氣口16及密封圈；隔熱板6包裹在熔料罐5桶壁外側和底部，且在隔熱板6上開有溢料流道和排氣道，溢料口13位置高于出料口12位置且和隔熱板6上溢料流道相通，排氣口14位置高于溢料口13位置且和隔熱板6上排氣道相通，用于排出在軸向通孔15中通入的保護氣體；冷卻裝置包括冷卻室7和制冷元件11，冷卻裝置下方安裝有導向輪8，用于改變纖維走向；在水平方向設置有纖維收集輥筒9，輥筒9端部安裝有速率調節器及速率表10，用于調整拉絲速度，輥筒9主要用于收集冷卻后的鋁涂層碳纖維。

一種碳纖維表面金屬鋁涂層的制備方法，包含以下步驟：

(1)關閉出料口12處閥門或封堵出料口12，通過先加壓、后保壓的方式檢查熔料罐5的氣密性；

(2)將熔融的鋁液通過進料口2緩慢加入到熔料罐5中，添加熔融鋁液達到熔料罐5體積的三分之二后停止加料，擰緊進料螺栓1；

(3)打開冷卻元件11開關，使冷卻室7制冷到設定溫度后保持溫度不變；

(4)觀察速率表10調節速率調節器，保持纖維拉絲速度穩定至5.0-10.0mm/s；

(5)通過通氣口16向熔料罐5側壁軸向通孔15中通入保護性氬氣；

(6)打開出料口12處閥門，通過加壓口4向熔料罐5加壓，在0.1MPa-0.5MPa壓力下使熔料鋁液通過出料口12進入到軸向通孔15中；

(7)在恒定壓力下持續向軸向通孔15中進料，待熔料鋁液達到一定高度后溢料口13自動排出多余熔料，防止鋁液充滿軸向通孔15；裝置通過邊進料邊拉絲方式在碳纖維表面制備鋁涂層，軸向通孔15底部的階梯狀漏斗用于逐層排除碳纖維表面多余熔料鋁液，有效控制鋁涂層厚度。

下面結合實施例對本發明的實施過程作進一步詳細說明：

實施例1

(1)關閉熔料罐5底部出料口12處的閥門或封堵出料口12，通過加壓口4向熔料罐5中先加壓、后保壓，觀察壓力表3變化情況，以此檢查裝置的氣密性；

(2)待裝置的氣密性檢查完成后，通過進料口2向熔料罐5中加入一定量(體積為熔料罐5的三分之二)的熔料鋁液，之后擰緊進料螺栓1；