[發(fā)明專利]連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基電鑄復(fù)合材料的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910724092.0
• 申請(qǐng)日: 2019-08-07
• 公開（公告）號(hào): CN110424028A
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊航城;田海燕;盧雨;張瑞乾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): C25D1/00
• 分類號(hào): C25D1/00;C22C49/08;C22C49/14;D06M13/256;C22C101/10;D06M101/40
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 韓天宇

本發(fā)明提供了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基電鑄復(fù)合材料的制備方法，利用碳纖維具有導(dǎo)電性的特點(diǎn)，將碳纖維固定于夾具上，使其處于上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在碳纖維束雙側(cè)同時(shí)進(jìn)行基體金屬的電化學(xué)沉積，并以硬質(zhì)微球在碳纖維表面滾動(dòng)擠壓摩擦，以提高電鑄金屬的強(qiáng)度和電鑄金屬對(duì)纖維的結(jié)合強(qiáng)度，降低空洞率與孔系率，改善致密度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體是一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基電鑄復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是一類將高強(qiáng)度、高模量的增強(qiáng)纖維與金屬基體復(fù)合而成的，具有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)良綜合性能的復(fù)合材料。如果在金屬基體受載方向上有序摻雜大量具有高強(qiáng)度的連續(xù)纖維，那么復(fù)合材料受到拉伸時(shí)，這些高性能的纖維能夠比金屬承受高得多的載荷，進(jìn)而提高整個(gè)復(fù)合材料的強(qiáng)度。

目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法主要有：粉末冶金法、熔融滲透法、復(fù)合電鑄法等。其中，復(fù)合電鑄是將纖維預(yù)先鋪排在陰極芯模表面，利用基體金屬在芯模表面的電化學(xué)沉積逐漸包覆鑲嵌纖維，最終形成夾雜纖維的金屬基復(fù)合材料。復(fù)合電鑄法制備金屬基纖維復(fù)合材料無需高溫或高壓環(huán)境，對(duì)增強(qiáng)纖維無損傷，且設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，但也存下以下問題：

1、高纖維體積分?jǐn)?shù)下制得的復(fù)合電鑄層表面以及內(nèi)部容易出現(xiàn)空洞、孔隙等缺陷，導(dǎo)致纖維與電鑄金屬結(jié)合性能變差，嚴(yán)重降低了高強(qiáng)度纖維的增強(qiáng)效果，制約了其性能的提升；

2、碳纖維具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量大、耐蝕性能優(yōu)異等顯著特點(diǎn)，適宜于作為增強(qiáng)纖維制備金屬基纖維復(fù)合材料。但碳纖維本身具有導(dǎo)電性，靜電屏蔽效應(yīng)使得基體金屬直接在背向陰極芯模一側(cè)的纖維表面沉積，緊貼于陰極芯模一側(cè)的纖維束表面難以發(fā)生電化學(xué)沉積反應(yīng)，從而導(dǎo)致碳纖維束難以被基體金屬完全嵌入，如圖1所示，在脫模后常出現(xiàn)只有小部分的纖維束真正嵌入現(xiàn)象，使得鑄層性能提高受到限制；

3、一束碳纖維由數(shù)千根單絲碳纖維組成，相鄰單絲碳纖維之間間隙狹小，在電鑄過程中，溶液難以進(jìn)入纖維之間的間隙，從而導(dǎo)致電鑄成型碳纖維復(fù)合材料中出現(xiàn)大量孔洞，反而造成鑄層的抗拉伸性能降低。

4、有研究者通過邊纏繞邊電鑄的方式來提高電鑄金屬基纖維復(fù)合材料的性能，減小孔隙率，但只適合單根連續(xù)纖維，無法滿足束纖維。同時(shí)，纖維數(shù)目少不能有效提高鑄層性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基電鑄復(fù)合材料的制備方法，利用碳纖維具有導(dǎo)電性的特點(diǎn)，將碳纖維固定于夾具上，使其處于上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在碳纖維束雙側(cè)同時(shí)進(jìn)行基體金屬的電化學(xué)沉積，并以硬質(zhì)微球在碳纖維表面滾動(dòng)擠壓摩擦，以提高電鑄金屬的強(qiáng)度和電鑄金屬對(duì)纖維的結(jié)合強(qiáng)度，降低空洞率與孔系率，改善致密度。

本發(fā)明包括以下步驟：

1）去膠處理，將碳纖維束表面的有機(jī)物去除；

2）裝夾處理，將碳纖維束拉直緊貼導(dǎo)電板，固定在兩塊夾板之間，形成陰極夾持板；

3）氧化處理，提高碳纖維束粗糙度；

4）電鑄階段，在電鑄槽中心豎直放置陰極夾持板，陰極兩側(cè)平行放置兩塊電解陽(yáng)極鎳板，陰陽(yáng)極之間充滿電鑄液和硬質(zhì)微球，鎳在碳纖維表面電化學(xué)沉積過程中，陰極沿豎直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)硬質(zhì)微球在碳纖維表面滾動(dòng)，擠壓摩擦碳纖維表面在微球滾動(dòng)細(xì)化電鑄金屬晶粒的同時(shí)，纖維束受到擠壓所產(chǎn)生的局部張弛促使電鑄液“泵入”纖維間隙之中，促進(jìn)電鑄金屬與碳纖維的結(jié)合；

5）鑄層后處理。

進(jìn)一步改進(jìn)，步驟2）所述的裝夾處理過程，使用兩塊通過螺紋孔固定的夾板，其中一塊開有凹槽，凹槽內(nèi)固定有導(dǎo)電板，碳纖維束拉直緊貼導(dǎo)電板，固定在兩塊夾板之間，在發(fā)生電化學(xué)沉積反應(yīng)過程中，碳纖維束通過導(dǎo)電塊導(dǎo)電，成為陰極。