[發明專利]一種三維編織碳纖維增強金屬基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811206218.7
• 申請日: 2018-10-17
• 公開（公告）號: CN109023165B
• 公開（公告）日: 2020-01-03
• 發明（設計）人: 徐自立;汪華方;唐科;盧記軍;武玉琴;孫利
• 申請（專利權）人: 武漢紡織大學
• 主分類號: C22C47/04
• 分類號: C22C47/04;C22C47/06;C22C47/12;C22C49/06;C22C49/14;C22C101/10
• 代理公司: 42250 武漢泰山北斗專利代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 程千慧

本發明涉及一種三維編織碳纖維增強金屬基復合材料及其制備方法，所述制備方法包括以下步驟：步驟1、對碳纖維進行預處理；步驟2、將碳纖維束與細金屬絲綁定，得到金屬絲碳纖維復合體，利用金屬絲碳纖維復合體編織三維架構增強體；步驟3、將編織好的三維纖維架構增強體分別浸潤碳化硅顆粒溶漿和氟鋯酸鉀水溶液；步驟4、將上一步處理后的三維纖維架構增強體置于基材金屬液中在超聲振動下擠壓成型，得到一種新型金屬基復合材料。本發明利用碳纖維編織三維纖維構架，實現具備優異性能的由三維纖維架構增強體增強的新型金屬基復合材料的凈成型制造，拓展了金屬基復合材料的類型與應用范圍，在航空航天、軍工和民用領域必將具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及碳纖維增強領域，具體涉及一種三維編織碳纖維增強金屬基復合材料及其制備方法。

背景技術

纖維增強鋁基復合材料具有優異的力學性能和某些物理性能，已在航天航空、汽車、機械電子等領域作為高強度耐高溫材料，顯示出巨大的應用潛力。近年來，復合材料研究者圍繞如何有效地利用高性能纖維強化密度小、強韌性和抗腐蝕性能優異的鋁及鋁合金基體，以獲得性能優異的輕質高強度復合材料進行了大量的研究工作。纖維增強鋁基復合材料的增強纖維主要有碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等，其中高比強度、高比剛度、價格相對便宜的碳纖維更受人們青睞，碳纖維/鋁復合材料普遍認為是一種較理想的輕質高強度復合材料。作為主要承載體的碳纖維，高溫下仍保持很高的強度和彈性模量,從而賦予碳纖維/鋁復合材料高比強度、高彈性模量、良好的耐磨性和導電性、優良的高溫強度、優異的導熱性和高溫下尺寸穩定性等優點。碳纖維/鋁復合材料已被廣泛地應用于制造飛機構件、汽車發動機零件、滑動部件、計算機集成電路的封裝材料以及電子設備的基板等。縱觀國內外關于金屬基復合材料的研究進程，從制備工藝盡量簡單、制備成本盡量降低的角度出發，人們曾經更多關注的是顆粒增強復合材料，而且材料制備的相關工藝技術已發展的較為成熟。顆粒增強復合材料雖然制備成本可能較低，但是對復合材料的力學性能如比強度、比剛度等的提升卻有限，這限制了這種復合材料的應用范圍。為了大幅度提高金屬基復合材料力學性能，選用高性能纖維作為增強相成為主要的技術發展方向。多年來，人們制備和研究纖維增強金屬基復合材料時，大多以長、短獨立纖維絲作為增強體。長纖維(又稱連續纖維)以一定取向在基體中排列(這里稱之為“一維纖維增強”)，短纖維則雜亂無取向分布。一維取向的連續纖維使復合材料具有各向異性，縱向拉伸強度、導電導熱性能均很高，而橫向較低；雜亂取向的短纖維增強，與顆粒增強有相近的效應，雖然具有各向同性，但對諸如拉伸、沖擊及疲勞力學性能的提升空間有限。就某一方向需要高強度或需要高導電導熱性能的構建而言，一維連續纖維增強金屬基復合材料或許有很大優勢。然而一維長纖維制造成本很高，各自獨立的纖維細絲很難有均勻的排列分布，制備工藝很難控制，這限制了一維長纖維增強金屬基復合材料的應用和發展。迄今的研究表明，無論是一維長纖維或雜亂短纖維加入金屬基體中，都還沒有完全發揮其本身“增強”的優勢，纖維的高性能并沒有充分移植到金屬基復合材料中。

發明內容

本發明所要解決的技術問題提供一種力學性能優異的三維編織碳纖維增強金屬基復合材料的制備方法。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：

一種三維編織碳纖維增強金屬基復合材料及其制備方法，包括以下步驟：

步驟1、對碳纖維進行預處理；

步驟2、將碳纖維束與細金屬絲綁定，得到金屬絲碳纖維復合體，利用金屬絲碳纖維復合體編織三維架構增強體；本實施例中，細金屬絲為細鋁絲。

步驟3、將編織好的三維纖維架構增強體分別浸潤碳化硅顆粒溶漿和氟鋯酸鉀水溶液；

步驟4、將上一步處理后的三維纖維架構增強體與基材金屬液一起在超聲振動下擠壓成型。

進一步的，所述步驟1的具體步驟為：

步驟1.1、對碳纖維進行除膠、粗化、敏化和活化處理；