本發明屬于輕金屬材料領域，涉及一種鎂基復合材料，具體為一種改性碳纖維增強鎂基復合材料及其制備方法。
背景技術：
：連續纖維增強金屬基復合材料是利用高強度、高模量、低密度的硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳纖維與石墨纖維等作為增強體，與相應的金屬基體復合而成。其中增強纖維絕大多數情況下是作為承載組分，而金屬基體主要起粘結纖維、傳遞載荷、部分承載的作用。由于性能優良的連續纖維加入，使得復合材料具有輕質，比強度、比模量高，耐磨性強，耐高溫性能好，導電、導熱性好，抗疲勞，抗老化等優良的綜合性能，在先進武器、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。目前國內外研究機構和學者對連續纖維增強金屬基復合材料進行了大量的研究。鎂基復合材料的主要特點是密度低，比強度和比剛度高，同時還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優良的減震性能及良好的尺寸穩定性和鑄造性能等；但由于工藝復雜、價格昂貴，目前主要應用于航天及航空部門。鎂合金常用的連續增強體有碳纖維、硼纖維、三氧化二鋁纖維、鋁鈦纖維、鈦纖維等。碳纖維和鎂合金基體的潤濕性較差，使其在成型與制備上存在一定的難度。制備碳纖維增強鎂基復合材料需要解決的首要問題就是改善碳纖維與鎂合金之間的潤濕性，常用的最有效方法就是碳纖維表面涂層處理，利用溶膠-凝膠方法在碳纖維表面涂覆一層二氧化硅、化學鍍鎳等方式已經得到良好的實驗驗證。碳纖維增強鎂基復合材料目前已經在航空航天的高精度空間結構材料、汽車工業以及軍工制造等領域中顯示出巨大的應用前景，主要用作航天器結構材料如衛星天線的桁架結構、航天站的安裝板以及航天器的光學測量系統等。以上應用多采用單向碳纖維增強鎂基復合材料。為了克服單向材料性能的各向異性等缺點，對二維織物結構鎂基復合材料也進行了初步研究，獲得了具有徑向和緯向熱膨脹系數對稱的復合材料試樣，但對其他性能未能進行深入研究。合金絲、氧化鋁纖維增強鎂基復合材料起步晚，目前只是處于實驗室研制階段。技術實現要素：本發明解決的技術問題是：為了克服現有技術的缺陷，獲得一種碳纖維與鎂基復合材料之間潤濕性良好，且鍍鎳等特殊處理的鎂基復合材料，本發明提供了一種改性碳纖維增強鎂基復合材料及其制備方法。技術方案：一種改性碳纖維增強鎂基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：三氧化二鋁3.2～7.9wt.％、碳纖維12.5～18.9wt.％、銅2.7～6.8wt.％、鐵1.5～4.8wt.％、硅酸鈉0.2～1.4wt.％、石墨2.1～7.6wt.％、硫酸銅1.2～5.6wt.％、硫酸鎂0.9～2.5wt.％、余量為鎂。優選的，三氧化二鋁的質量分數百分比為4.5～6.8wt.％。優選的，碳纖維的質量分數百分比為15.6～17.2wt.％。優選的，石墨的質量分數百分比為3.5～6.5wt.％。優選的，鎂元素與碳纖維的質量比大于5。優選的，鎂元素與銅元素的質量比大于30。優選的，鎂元素與石墨的質量比大于20。一種改性碳纖維增強鎂基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于1.2～3.5mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.1～0.5倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理2～4小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于40～56℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進行熔化，待其熔化一半時加入步驟(2)獲得的固體粉末，在680～760℃內保溫30～65分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫攪勻，在760～780℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置20～40分鐘，再加入表面活性劑，在700～720℃撇去表面浮渣，得到鎂基復合材料熔體；(5)對鎂基復合材料熔體進行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳纖維增強鎂基復合材料。優選的，固溶處理的溫度為490～530℃，時間為5～16小時。優選的，時效處理的溫度為215～260℃，時間為20～48小時。有益效果：(1)本發明所述改性碳纖維增強鎂基復合材料具有密度低，比強度和比剛度高，同時還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優良的減震性能及良好的尺寸穩定性和鑄造性能；(2)本發明所述改性碳纖維增強鎂基復合材料的制備方法克服了碳纖維與鎂基復合材料之間潤濕性差的缺陷；(3)本發明所述方法制備工藝簡單，成本較低。具體實施方式實施例1一種改性碳纖維增強鎂基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：三氧化二鋁3.2wt.％、碳纖維12.5wt.％、銅2.7wt.％、鐵1.5wt.％、硅酸鈉0.2wt.％、石墨2.1wt.％、硫酸銅1.2wt.％、硫酸鎂0.9wt.％、余量為鎂。一種改性碳纖維增強鎂基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于1.2mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.1倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理2小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于40℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進行熔化，待其熔化一半時加入步驟(2)獲得的固體粉末，在680℃內保溫30分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫攪勻，在760℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置20分鐘，再加入表面活性劑，在700℃撇去表面浮渣，得到鎂基復合材料熔體；(5)對鎂基復合材料熔體進行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳纖維增強鎂基復合材料。固溶處理的溫度為490℃，時間為5小時。時效處理的溫度為215℃，時間為20小時。實施例2一種改性碳纖維增強鎂基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：三氧化二鋁4.5wt.％、碳纖維14.8wt.％、銅4.2wt.％、鐵2.3wt.％、硅酸鈉0.5wt.％、石墨3.9wt.％、硫酸銅2.9wt.％、硫酸鎂1.2wt.％、余量為鎂。一種改性碳纖維增強鎂基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于1.7mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.2倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理3小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于46℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進行熔化，待其熔化一半時加入步驟(2)獲得的固體粉末，在700℃內保溫40分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫攪勻，在770℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置25分鐘，再加入表面活性劑，在705℃撇去表面浮渣，得到鎂基復合材料熔體；(5)對鎂基復合材料熔體進行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳纖維增強鎂基復合材料。固溶處理的溫度為500℃，時間為8小時。時效處理的溫度為226℃，時間為25小時。實施例3一種改性碳纖維增強鎂基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：三氧化二鋁5.6wt.％、碳纖維16.3wt.％、銅5.6wt.％、鐵3.2wt.％、硅酸鈉1.1wt.％、石墨4.5wt.％、硫酸銅4.1wt.％、硫酸鎂1.7wt.％、余量為鎂。一種改性碳纖維增強鎂基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于2.8mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.4倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理3小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于52℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進行熔化，待其熔化一半時加入步驟(2)獲得的固體粉末，在715℃內保溫50分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫攪勻，在770℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置30分鐘，再加入表面活性劑，在710℃撇去表面浮渣，得到鎂基復合材料熔體；(5)對鎂基復合材料熔體進行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳纖維增強鎂基復合材料。固溶處理的溫度為515℃，時間為12小時。時效處理的溫度為245℃，時間為32小時。實施例4一種改性碳纖維增強鎂基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：三氧化二鋁7.9wt.％、碳纖維18.9wt.％、銅6.8wt.％、鐵4.8wt.％、硅酸鈉1.4wt.％、石墨7.6wt.％、硫酸銅5.6wt.％、硫酸鎂2.5wt.％、余量為鎂。一種改性碳纖維增強鎂基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于3.5mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.5倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理4小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于56℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進行熔化，待其熔化一半時加入步驟(2)獲得的固體粉末，在760℃內保溫65分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫攪勻，在780℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置40分鐘，再加入表面活性劑，在720℃撇去表面浮渣，得到鎂基復合材料熔體；(5)對鎂基復合材料熔體進行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳纖維增強鎂基復合材料。固溶處理的溫度為530℃，時間為16小時。時效處理的溫度為260℃，時間為48小時。對實施例1～4制備獲得的改性碳纖維增強鎂基復合材料進行性能測試，結果如下表所示：實施例1實施例2實施例3實施例4最高使用溫度/℃545620615598耐疲勞強度/mpa1000120012681190當前第1頁12