專利名稱：低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及碳纖維鋁基復合材料及制備方法。
背景技術：
阻尼材料是指具有結構材料應有的強度并能通過阻尼過程(內耗)把振動能較快地轉變為熱能而消耗掉的材料。目前，阻尼材料已廣泛應用于航空航天、核工業及軍事裝備及陸地交通運輸工具、重工業、機械工業、輕工業、紡織工業、大型建筑等領域。碳纖維是復合材料中最理想的增強材料，它具有高強度、高比模量、優異的熱物理性能、化學穩定性、阻尼減震降噪等優良性能。但是其造價高并且制造工藝困難。現有減振措施有下列兩種途徑一是在振動源外部設計采用減振結構；二是采用阻尼材料。在許多領域中對阻尼構建的設計，除了對材料的阻尼性能有較高的要求以外，還要求它具有高的結構效率，即在保證構件力學結構性能的條件下，構件的質量輕、體積最小。雖然采用第一種方法可以起到減振作用，但是這種輔助的結構會增大設備的體積；而對于第二種方法，傳統的阻尼材料(例如Mn-Cu合金、灰口鐵、熟鐵等)雖然具有良好的阻尼性能，但它的密度大。

發明內容
本發明為了解決現有碳纖維復合材料造價高、制造工藝困難，采用常規的減振結構可以起到減振作用，但是這種輔助的結構會增大設備的體積，而采用傳統的阻尼材料(如Mn-Cu合金、灰口鐵、熟鐵等)它的密度大的問題，提供了一種低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料及其制備方法，解決上述問題的具體技術方案如下本發明由無定形碳纖維與鋁基復合制成，按體積份數無定形碳纖維為10～25％、鋁基為90～75％。
本發明的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料制備方法的步驟如下步驟一、按體積份數取無定形碳纖維為10～25％、鋁基為90～75％，將配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉8～10小時；步驟二、將步驟一混粉的粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至540～580℃，開始向材料施加20～30MPa壓力，壓力維持20～40分鐘，隨爐冷卻至室溫，脫模，即制備出低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料。
本發明將10～25％體積份數的無定形碳纖維加入到6061鋁基體中，不僅強化了復合材料，該材料具有比傳統的阻尼合金材料有更小的密度，比變形鋁合金有更優良的阻尼性能。同時它還具有低密度、高比強度、質量輕、體積小，以及良好的塑性、韌性和加工性能，而且成本低。廣泛適用于航空航天、核工業及軍事裝備及陸地交通運輸工具、重工業、機械工業、輕工業、紡織工業、大型建筑等領域。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式由無定形碳纖維與鋁基復合制成，按體積份數無定形碳纖維為10～25％、鋁基為90～75％組成。
無定形碳纖維增強體采用日本XN-05C型無定形碳纖維，其體積份數為10～25％，長度為80～100μm。鋁基采用6061鍛鋁顆粒，顆粒尺寸為10～30μm。
具體實施例方式
二本實施方式按體積份數由無定形碳纖維為10％、鋁基為90％組成。
具體實施例方式
三本實施方式按體積份數由無定形碳纖維為17％、鋁基為83％組成。
具體實施例方式
四本實施方式按體積份數由無定形碳纖維為25％、鋁基為75％組成。
具體實施例方式
五本實施方式制備方法的步驟如下步驟一、按體積份數取無定形碳纖維為10～25％、鋁基為90～75％，將配好的無定形碳纖維和鍛鋁顆粒放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉8～10小時；步驟二、將步驟一混粉的粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至540～580℃，開始向材料加壓20～30MPa，壓力維持20～40分鐘，隨爐冷卻至室溫，脫模，即制備出低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料。
具體實施例方式
六本實施方式與具體實方式五的不同點在于它還包含步驟三、將經步驟二熱壓燒結后的無定形碳纖維鋁基復合材料進行熱擠壓成形，擠壓比為16～25∶1，擠壓溫度為450～550℃，保溫15～30分鐘，能制備出致密度更高的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料。
具體實施例方式
七本實施方式按體積份數取無定形碳纖維為10％、鋁基為90％，配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉時間8小時；將粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至580℃，施加20MPa的壓力，壓力維持20分鐘；進行熱擠壓成形，擠壓比為25∶1，擠壓溫度為450℃，保溫20分鐘。其它步驟與具體實施方式
五和具體實施方式
六相同。
具體實施例方式
八本實施方式按體積份數取無定形碳纖維為17％、鋁基為83％，配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉時間9小時；將粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至560℃，施加25MPa的壓力，壓力維持30分鐘；進行熱擠壓成形，擠壓比為25∶1，擠壓溫度為500℃，保溫25分鐘。其它步驟與具體實施方式
五和具體實施方式
六相同。
具體實施例方式
九本實施方式按體積份數取無定形碳纖維為17％、鋁基為83％，配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉時間9小時；將粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至540℃，施加20MPa的壓力，壓力維持30分鐘；進行熱擠壓成形，擠壓比為25∶1，擠壓溫度為550℃，保溫30分鐘。其它步驟與具體實施方式
五和具體實施方式
六相同。
中、低模量無定形碳纖維價格低廉，而且伸長大、脆性小，可以做成各種填料而保持其原有的長度，重要的是無定形碳纖維的本征阻尼高。這一重要特性賦予了中、低模量無定形碳纖維廣泛的應用市場。
而在金屬結構材料中，鋁基復合材料具有高比強度、比模量和比剛度，同時又具有良好阻尼性能，并因其低密度常用于航空、航天和電子等工業的減振、降噪等領域。
將制備的不同體積份數的復合材料在HV-5型維氏硬度計上進行硬度測試，載荷0.5kg，保荷時間10s；在INSTRON-1186萬能電子試驗機上進行常溫拉伸試驗，測量其拉神性能。其力學性能見表一所示。可見，將10～25vol.％體積份數的無定形碳纖維加入到6061鋁基體中，復合材料被強化。并且10vol.％Cf/6061Al復合材料綜合性能最佳，其抗拉強度比6061鋁合金提高了36％，而延伸率保持為6.7％。
采用DMAQ800動態熱分析儀對上述制備的不同體積份數的復合材料在室溫下進行阻尼-應變振幅譜的阻尼性能測試，測試的模式為單臂懸梁，應變振幅為10-4，頻率為1Hz。其阻尼性能見表二所示。當復合材料的無定形碳纖維含量為10～30％時阻尼性能比6061Al合金有所提高。當復合材料的無定形碳纖維含量為25％時阻尼性能指標較佳。
表一不同無定形碳纖維體積份數下Cf/6061Al復合材料的力學性能

表二不同無定形碳纖維體積份數下Cf/6061Al復合材料的阻尼性能

權利要求
1.低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料，它由無定形碳纖維與鋁基復合制成，其特征在于按體積份數由無定形碳纖維為10～25％、鋁基為90～75％組成。
2.根據權利要求1所述的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料，其特征在于按體積份數無定形碳纖維為10％、鋁基為90％組成。
3.根據權利要求1所述的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料，其特征在于按體積份數無定形碳纖維為17％、鋁基為83％組成。
4.根據權利要求1所述的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料，其特征在于按體積份數無定形碳纖維為25％、鋁基為75％組成。
5.低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料的制備方法，其特征在于它包含下列步驟步驟一、按體積份數取無定形碳纖維為10～25％、鋁基為90～75％，將配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉8～10小時；步驟二、將步驟一混粉的粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至540～580℃，開始向材料施加20～30MPa壓力，壓力維持20～40分鐘，隨爐冷卻至室溫，脫模，即制備出低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料。
6.根據權利要求5所述的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料的制備方法，其特征在于它還包含有步驟三、將經步驟二熱壓燒結后的無定形碳纖維鋁基復合材料進行熱擠壓成形，擠壓比為16～25∶1，擠壓溫度為450～550℃，保溫15～30分鐘，能制備出致密度更高的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料。
7.根據權利要求5或6所述的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料的制備方法，其特征在于按體積份數取無定形碳纖維為10％、鋁基為90％配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉時間8小時；將粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至580℃，施加20MPa的壓力，壓力維持20分鐘；進行熱擠壓成形，擠壓比為25∶1，擠壓溫度為450℃，保溫20分鐘。
8.根據權利要求5或6所述的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料的制備方法，其特征在于按體積份數取無定形碳纖維為17％、鋁基為83％配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉時間9小時；將粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至560℃，施加25MPa的壓力，壓力維持30分鐘；進行熱擠壓成形，擠壓比為25∶1，擠壓溫度為500℃，保溫25分鐘。
9.根據權利要求5或6所述的低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料的制備方法，其特征在于按體積份數取無定形碳纖維為17％、鋁基為83％配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1，混粉時間9小時；將粉末放入石墨模具中冷壓成型，然后將石墨模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中加熱至540℃，施加20MPa的壓力，壓力維持30分鐘；進行熱擠壓成形，擠壓比為25∶1，擠壓溫度為550℃，保溫30分鐘。
全文摘要
低模量高阻尼無定形碳纖維鋁基復合材料及其制備方法，它涉及碳纖維鋁基復合材料及制備。它解決了采用常規的減振結構設備的體積大，而采用傳統的阻尼材料密度大的問題。它由無定形碳纖維和鋁基復合制成，按體積份數由無定形碳纖維為10～25％、鋁基為90～75％組成。制備方法一、按體積份數取無定形碳纖維為10～25％、鋁基為90～75％，將配好的鍛鋁顆粒和無定形碳纖維放入行星式球磨機上混粉，球料比為2∶1；二、將混粉的粉末放入石墨模具中冷壓成型，將模具及冷壓成型的材料放入真空熱壓爐中熱壓，即制備出該復合材料。本發明比傳統的阻尼合金材料有更小的密度，比變形鋁合金有更優良的阻尼性能，它還具有高比強度、質量輕、體積小，以及良好的塑性和韌性。
文檔編號C22C47/00GK1924074SQ200610010600
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月25日 優先權日2006年9月25日
發明者耿林, 李愛濱, 王桂松, 李莎莎 申請人:哈爾濱工業大學