專利名稱：一種連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法
技術領域：
本發明屬于復合材料技術領域，具體涉及一種連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法。二、背景技術
材料是社會進步的物質基礎和先導。對材料性能提出了越來越高，越來越嚴和越來越多的要求。在許多方面，傳統的單一材料已越來越不能滿足實際需要。復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。復合材料可經過設計，即通過對原材料的選擇、各組成成分分布和工藝條件的保證等，使原組分材料優點互補，因而呈現了出色的綜合性能。與傳統的彌散強化或沉淀強化相比，在連續纖維增強復合材料承受載荷時，基體起傳遞載荷的作用，纖維為主要承力組元，因此顯著提高了材料的抗張強度。特別是以碳纖維為代表的連續纖維性能的不斷提高和價格的不斷下降，連續纖維增強金屬基復合材料也越來越受到重視。此外，連續纖維增強金屬材料也可以增強材料的彈性模量，充分發揮增強纖維高模量的特點。采用纖維來增強金屬基體通常具有高比強度、 高比模量、高的韌性、疲勞性能及抗沖擊能力好；良好的耐熱、耐磨、和阻尼性能；不老化、 不吸濕、防燃等特點，成為各國高新材料研究開發的重要領域。制備連續纖維增強金屬基復合材料的方法可以歸納為固相法和液相法兩大類。為了得到性能優異且滿足各種需要的特種復合材料，根據復合材料不同組元以及復合材料本身的性能特征，常用的制備方法主要有擠壓鑄造法、連續浸滲法、真空低壓浸滲法、真空吸鑄法、擴散結合法等。但傳統的制備方法都有其缺點。1997年日本朝倉書店出版的《複合材料O事典》一書中宮入裕夫等人對擠壓鑄造法的制備工藝及其優缺點進行了闡述。擠壓鑄造法擠壓鑄造是將纖維與粘結劑制成的預制體放在模具中加熱到一定的溫度，將熔融金屬注入模具中，迅速合模加壓，使液態金屬在壓力作用下浸滲到預制件中，冷卻后得到連續纖維增強金屬基復合材料制品。擠壓鑄造制備連續纖維增強金屬基復合材料的工藝簡單，通過增大基體的浸滲壓力使得基體對碳纖維的填充更充分，同時可以減少材料內部的鑄造缺陷。但是，由于制備壓力大，容易造成增強體損傷和預制塊變形，因此對纖維預制件的剛度等有一定的要求，并且模具設計也比較復雜。連續浸滲法是使單束的纖維通過熔融金屬浴，將金屬液填充到纖維束間，然后擠出多余的金屬液，并同時進行凝固，實現碳纖維與金屬基體的復合化，從而獲得纖維增強金屬基復合絲一線材。這種復合絲是一種復合材料的預制品，還需要經過二次加工才能得到所需的復合材料。真空低壓浸滲法是將纖維預制體和金屬基體放在模具中，抽真空、并加熱到金屬基體的熔點以上，注入惰性氣體，并保持壓力一段時間；在惰性氣體的壓力作用下，液態金屬緩慢深入到碳纖維預制體中。2006 年出版的《Journal of Materials Processing Technology))第 175 卷雜志"Fabrication technology and material characterization of carbon fibre reinforced magnesium”(218 — 224 頁)一文中 W. Hufenbach 等利用該法在 730°C、30MPa、15min的條件下制備了 Cf/Mg復合 材料。真空低壓浸滲法可以制備各種復雜形狀的連續纖維增強金屬基復合材料，比擠壓鑄造法使用的壓力低，預制體的變形量小，且能減少氣孔、 疏松和縮孔等鑄造缺陷，但對設備要求較高、且生產周期長。擴散結合法是最早成功地用于制造Cf/Mg復合材料的制備方法。2005年出版的 《高科技纖維與應用》第30卷第5期雜志中“碳纖維的發展及其應用現狀”(24-30，40頁) 一文中黎小平等對擴散結合法進行了介紹。將復合絲切成所需長度，拉直后用粘合劑粘在一起做成復合帶，該粘合劑在升溫時會熱分解且不留殘余物。將復合帶與鎂箔(0.089mm) 交替疊放做成復合材料坯料，放入真空容器中，加熱到適當溫度(482° C-538。C)后加壓 (14-69MPa)并保壓一定時間。該工藝也可用于對離子鍍膜、噴鍍、電鍍涂層碳纖維進行二次加工。擴散結合法是通過控制時間、溫度和壓力使復合絲壓縮變形緊密接觸、然后通過擴散使復合絲結合可方便地控制碳纖維取向和體積分數。但是擴散黏結所需要的時間長，在高溫和高壓條件下生產成本較高。熱軋法也是一種通過壓實和結合來制造低成本復合材料薄板的熱等溫軋制過程。 將連續纖維制成的復合絲與金屬箔交替鋪設在一起，再經過熱等溫軋制過程可以制備復合材料薄板。該法要求在真空或惰性氣體保護下進行加工，對設備和工藝都有很高要求。總之，目前的連續纖維增強金屬基復合材料的制備方法都有其優點和不足。液相法對增強纖維的物理損傷相對較小，適合形狀復雜、尺寸較小的零部件生產，但生產周期較長、不適合薄板等型材的工業化量產。固相法雖然可連續生產板材等復合材料，但一般需要復合材料的初級產品一復合絲，復雜的生產工序增加了材料制備成本；另外，增強纖維一般為脆性材料，在巨大壓力作用下，塑性變形對增強纖維的損傷較大，不利于發揮增強纖維的性能優勢。
發明內容
本發明的目的是提供一種生產成本低廉、適合工業化連續生產的連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法，該方法能有效地克服現有技術中的諸多不足。為實現上述目的，本發明采用的技術方案為該方法包括如下步驟
①按照復合材料型材的受力分布，將連續纖維制成連續纖維預制體，并對該連續纖維預制體進行表面涂層處理，以保證連續纖維在復合材料中的合力空間分布；
②將經經步驟①表面涂層處理的連續纖維預制體放入真空爐中，在<100Pa的條件下抽真空；
③加熱復合材料基體金屬至液相線以上10-30(TC，使基體金屬完全熔化；
④將經步驟②抽真空處理的連續纖維預制體浸入熔化的基體金屬中，進行浸滲處理；
⑤浸滲完畢后，降低基體金屬溫度至液相線溫度和固相線溫度之間，使基體金屬為固_液兩相共存狀態；
⑥采用成形模具對步驟⑤所得基體金屬為固-液兩相共存狀態的復合材料進行雙輥軋鑄或拉拔等凝固成形處理，并控制成形模具的溫度為基體金屬固相線溫度以下 20-3000C，即獲得連續碳纖維增強金屬基復合材料型材。上述連續纖維預制體包括二維紡織布和三維編織體，可根據復合材料的使用受力情況合理調整纖維空間排布，提高連續纖維的利用效率；此外，可以根據增強纖維和金屬基體之間的物理和化學相容性進行增強纖維表面改性處理。
上述基體金屬包括鎂合金、鋁合金、鋅合金、錫合金等低熔點金屬合金。上述浸滲處理包括無壓浸滲、超聲波浸滲及氣壓浸滲等多種浸滲輔助手段。上述成形處理包括基體金屬凝固過程，通過控制成形模具的溫度、提拉或拉拔速度等工藝參數實現成形和凝固同時進行；成形處理還包括控制復合材料中纖維增強體體積分數的作用，通過調整成形模具之間的復合材料成形通道的尺寸，擠出多余固-液兩相共存狀態的金屬基體，達到控制增強體體積分數的目的；在成形處理過程中，提拉或拉拔等處理所需的拉力主要由連續纖維預制體承擔，處于固一液兩相狀態的金屬基體不承受載荷。本發明方法具有如下優點
⑴本方法工藝簡單可控、對設備要求低、成本低廉，并可適用于不同材質纖維和金屬基體，適用范圍廣泛。⑵可根據復合材料的使用受力情況合理排布連續纖維，充分發揮連續纖維的優異性能，提高復合材料的力學和物理性能。⑶在復合材料的定形處理過程中，基體金屬為固一液兩相共存狀態，不僅可以大大降低復合材料制備過程對纖維增強體的損傷，還可以細化金屬基體的晶粒、提高復合材料的力學性能。⑷本方法適合工業化量產，利用或簡單改造現有的鋁合金、鋼鐵產業型材的生產設備(例如雙輥鑄軋設備)，只需更換不同的成形模具就可批量生產多種型材，例如板材、管材、“工”字形以及“凹”字形等等截面型材。四具體實施方式
實施例1
制備連續碳纖維增強ZK60鎂合金基復合材料薄板
①用連續碳纖維平紋紡織布為原材料制備厚度為2. Omm的板狀連續碳纖維預制體，然后利用傳統溶膠_凝膠法在碳纖維表面涂覆5% Y2O3穩定&02涂層。②將經表面涂層處理的連續碳纖維預制體放在真空爐中盛有ZK60鎂合金容器的上方，抽真空至5Pa以下。③加熱ZK60鎂合金至710°C后，把連續碳纖維預制體浸入熔融的鎂合金中浸滲15 分鐘。④冷卻基體金屬至480_500°C，使基體金屬處于固-液兩相共存狀態。⑤向真空爐中充入SFJt為保護氣體，打開真空爐蓋，把金屬基體處于固-液兩相共存狀態的復合材料從金屬基體熔池中提拉出來后；使用溫度為350 0C的雙輥對飽含固一液兩相狀態金屬基體的復合材料進行軋鑄定形處理，雙輥之間間隙為2. 0mm，雙輥的轉速和復合材料的提拉速度均為60cm/分鐘；經過定形處理后，拆除固定框架并裁邊后，獲得厚度約為2. Omm的連續碳纖維增強ZK60鎂合金復合材料板材。本方法采用T300碳纖維制備的50vol. %連續碳纖維二維增強ZK60鎂合金基復合材料板材的沿碳纖維長軸方向的拉伸強度可以達到650MPa。實施例2
制備連續碳纖維增強2024鋁合金基復合材料“凹”字形型材
①用三維連續碳纖維編織體為原材料制備厚度為1. 5mm的“凹”字形連續碳纖維預制體，然后利用傳統溶膠_凝膠法在碳纖維表面涂覆TiO2涂層。
②將經表面涂層處理的連續碳纖維預制體放在真空爐中盛有2024鋁合金容器的上方，抽真空至0. IPa以下。③加熱至700°C后，把連續碳纖維預制體浸入熔融的2024鋁合金中，關閉抽真空閥門，并向爐內充入氬氣至0. 5MPa，氣壓浸滲10分鐘。 ④冷卻基體金屬至580_600°C，使2024鋁合金處于固-液兩相共存狀態。⑤打開真空爐蓋，把金屬基體處于固-液兩相共存狀態的復合材料從2024鋁合金熔池中提拉出來后，使用溫度為400°C的軋輥對飽含固一液兩相狀態金屬基體的復合材料進行鑄軋定形處理，控制軋輥之間間隙為1. 5mm，軋輥的轉速和復合材料的提拉速度均為 50cm/分鐘；經過定形處理后，拆除固定框架并裁邊后，獲得壁厚為1. 5mm的連續碳纖維增強2024鋁合金復合材料“凹”字形型材。本方法采用T300碳纖維制備的50vol. %連續碳纖維增強2024鋁合金基復合材料型材的沿碳纖維長軸方向拉伸強度可以達到680MPa。實施例3
制備連續碳纖維增強ZK60鎂合金基復合材料管材
①用三維連續碳纖維編織體為原材料制備厚度為1. 5mm、內徑為97. 5mm、一端封閉的圓筒形連續碳纖維預制體，利用傳統溶膠_凝膠法在碳纖維表面涂覆5% Y2O3穩定&02涂層。②把外徑為96mm的復合材料內圓成形鋼模具作為芯棒，固定于真空爐坩堝內，表面涂覆石墨脫模劑；把連續碳纖維預制體筒套在內圓成形模具上，并固定于真空爐中，抽真空至5Pa以下。③加熱至710°C后，向真空爐中的坩堝內注入710°C的液態ZK60鎂合金，使合金液面低于芯棒頂端200mm，保證連續碳纖維預制體浸入熔融的鎂合金中，并浸滲15分鐘。④冷卻基體金屬至480-500°C使基體金屬處于固-液兩相共存狀態。⑤向真空爐中充入SF6作為保護氣體，打開真空爐蓋，將溫度為335°C、內徑為 IOOmm的復合材料外圓成形模具與真空爐坩堝內芯棒的軸線基本保持在一條直線上，并將外圓模具套入芯棒IOOmm ；拉拔連續碳纖維預制體，使飽含固一液兩相狀態金屬基體的復合材料以50cm/分鐘的速度通過內外圓定形模具之間的空隙，實現定形處理；對復合材料兩端進行剪切后，獲得壁厚為1. 5mm、外徑為IOOmm的連續碳纖維增強ZK60鎂合金復合材料管材。本方法采用T300碳纖維制備的50vol. %連續碳纖維增強ZK60鎂合金基復合材料的沿管材長軸方向和圓周方向的拉伸強度分別可以達到650 MPa和550MPa。
權利要求
1.一種連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法，包括包括如下步驟①按照復合材料型材的受力分布，將連續纖維制成連續纖維預制體，并對該連續纖維預制體進行表面涂層處理；②將經步驟①表面涂層處理的連續纖維預制體放入真空爐中，在<100Pa的條件下抽真空；③加熱復合材料基體金屬至液相線以上10-30(TC，使基體金屬完全熔化；④將經步驟②抽真空處理的連續纖維預制體浸入熔化的基體金屬中，進行浸滲處理；⑤浸滲完畢后，降低基體金屬溫度至液相線溫度和固相線溫度之間，使基體金屬為固_液兩相共存狀態；⑥采用成形模具對步驟⑤所得基體金屬為固_液兩相共存狀態的復合材料進行成形處理，并控制成形模具的溫度為基體金屬固相線溫度以下20-300°C，即獲得連續碳纖維增強金屬基復合材料型材。
2.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法，其特征是所述的連續纖維預制體包括二維紡織布和三維編織體。
3.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法，其特征是所述的基體金屬包括鎂合金、鋁合金、鋅合金或錫合金。
4.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法，其特征是所述的浸滲處理包括無壓浸滲、超聲波浸滲及氣壓浸滲。
5.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法，其特征是所述的成形處理包括基體金屬凝固過程，通過控制成形模具的溫度、提拉或拉拔速度工藝參數實現成形和凝固同時進行。
全文摘要
本發明公開了一種連續纖維增強金屬基復合材料型材的制備方法，包括如下步驟①將連續纖維制成連續纖維預制體，并對該連續纖維預制體進行表面涂層處理；②將經表面涂層處理的連續纖維預制抽真空；③加熱復合材料基體至完全熔化；④將連續纖維預制體浸入熔化的基體金屬中浸滲處理；⑤使基體金屬為固-液兩相共存狀態；⑥采用成形模具對基體金屬為固-液兩相共存狀態的復合材料進行成形處理，即得。本發明方法工藝簡單可控、對設備要求低、成本低廉，并可適用于不同材質纖維和金屬基體，適用范圍廣泛。
文檔編號C22C47/04GK102286709SQ20111025365
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者王文廣 申請人:遼寧石油化工大學