[發明專利]非直接接觸式超聲振動制備碳纖維復合材料設備與方法

有效

• 申請號: 201910792244.0
• 申請日: 2019-08-26
• 公開（公告）號: CN110396653B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 曲迎東;李廣龍;王光磊;周啟文;李榮德;蘇睿明;聶賽男;田暢
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: C22C47/08
• 分類號: C22C47/08;C22C49/14;C22C101/10
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙) 21115
• 代理人: 耿浩

本發明涉及一種非直接接觸式超聲振動制備碳纖維復合材料設備及方法，超聲振頭的下端穿過箱蓋并頂在振動板上，振動板連接有多個振動板連接桿，振動板連接桿穿過固定板并下端連接有夾具，振動板和固定板之間的振動板連接桿套有具有預緊力的彈簧，固定板是通過多個固定板連接桿連接在箱蓋上的，箱體內設有一個周圈有電阻絲的坩堝，夾具位于坩堝的內部。方法為：將具有一定徑向預緊力的碳纖維絲束固定于夾具上；氣體保護或真空條件下放入熔融金屬液中；施加超聲波振動；將碳纖維金屬基復合材料移出金屬液并冷卻到室溫。本發明能夠實現連續的超聲振動，有利于碳纖維在基體中的均勻分散，同時有利于復合材料性能的提升。

技術領域

本發明屬于金屬基復合材料技術領域，涉及一種非直接接觸式超聲振動制備連續碳纖維增強復合材料設備與方法。

背景技術

碳纖維由于具有低密度、高強度、熱物性好等優異的性能，在航空航天，汽車制造，體育休閑等領域都得到了一定的應用。然而無論作為結構型復合材料還是功能型復合材料的增強體，碳纖維在基體中的分散問題都嚴重影響著復合材料的性能，并限制著該復合材料的應用。

目前液態軋制、真空浸滲和粉末冶金等制備碳纖維復合材料的方法都存在很大的局限性，容易在制備過程中對復合材料力學性能造成嚴重損傷。利用超聲波振動法可以解決連續碳纖維增強鋁基復合材料的增強纖維分散不均勻甚至無法完全浸滲的問題，并且可極大減小了高溫下碳纖維與鋁基體的反應。但是由于超聲發生器的壓電陶瓷材料，最高發聲使用溫度為120℃。而傳統的將超聲振頭伸入到熔體中施加振動的方式，由于熔體溫度高，超聲振頭的金屬材料導熱迅速，超聲發生器的溫度短時間內就會超過警戒溫度，嚴重影響振動時間，影響分散效果，并容易引起設備的損壞。

發明內容

發明目的

本發明要解決的技術問題是克服現有傳統利用超聲振動制備連續碳纖維增強復合材料過程中超聲發生器容易過熱的問題，提供一種非直接接觸式超聲振動制備碳纖維復合材料設備與方法，簡單高效的實現碳纖維在熔體中均勻分散。

技術方案

一種非直接接觸式超聲振動制備碳纖維復合材料設備，其特征在于：箱體的上端設有箱蓋，超聲振頭的上端固定在超聲振頭支撐夾具上，超聲振頭的下端穿過箱蓋并頂在振動板上，振動板連接有多個振動板連接桿，振動板連接桿穿過固定板并下端連接有夾具，夾具為上下兩層，兩層夾具之間用于夾碳纖維，振動板和固定板之間的振動板連接桿套有具有預緊力的彈簧，固定板是通過多個固定板連接桿連接在箱蓋上的，所述箱體內設有一個坩堝，坩堝的周圈設有用于加熱坩堝的電阻絲，夾具位于坩堝的內部。

所述超聲振頭支撐夾具的下端通過螺紋連接在支撐夾具底座上，超聲振頭支撐夾具用于夾持超聲振頭的一端兩側為弧形夾具片，弧形夾具片的一側設有兩個控制弧形夾具片開合的合頁，另一側通過螺絲螺母或者螺栓鎖緊。

所述夾具的尺寸為內腔的長和寬為0.1-10 m的矩形夾具或內腔直徑為0.1-10 m的圓形夾具，夾具寬度為1-100 cm。

所述夾具為碳纖維材料夾具。

所述超聲振頭與箱蓋之間設有直線軸承a，直線軸承a的上下端設有骨架油封，振動板連接桿與固定板之間設有直線軸承b。

一種使用所述的設備制備非直接接觸式超聲振動制備碳纖維復合材料的方法，其特征在于：包括以下步驟：

①將具有一定徑向預緊力的碳纖維絲束固定于夾具上，得到預制體；

②在惰性氣體保護或真空條件下將纖維預制體放入坩堝內的熔融金屬液中；

③在振動板的上方施加超聲波振動，進而傳導給碳纖維預制體，經過超聲的振動，金屬液浸滲到碳纖維的間隙中，制得碳纖維金屬基復合材料；

④將碳纖維金屬基復合材料移出金屬液并冷卻到室溫。