[發明專利]一種結構可控的3D增強鋁基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010541396.6
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111636040B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 王振軍;徐志鋒;蔡長春;余歡;熊博文;楊偉;張守銀;汪志太
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: C22C47/08
• 分類號: C22C47/08;C22C47/06;C22C49/06;C22C49/14;C22C101/10;C22C101/14;C22C101/04
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 趙曉琳

本發明提供了一種結構可控的3D增強鋁基復合材料及其制備方法，屬于高性能鋁基復合材料精密成形技術領域。本發明首先采用第一液態鋁合金對單向纖維板沿纖維方向進行浸滲，然后將所得單向纖維增強鋁基復合材料板材切割成單向鋁基復合材料絲材，再以該絲材構建3D增強體，使其與第二液態鋁合金進行復合獲得3D增強鋁基復合材料，可顯著降低液態浸滲阻力，減少纖維偏聚，能夠克服傳統液態壓力浸滲法中鋁合金對3D纖維增強體中橫向纖維束填充困難和制備缺陷多的問題。而且能夠按需求精確制造3D增強體，具有制備成本低、纖維體積分數可精確調節、增強體結構精確可控等優勢，可實現大尺寸規格3D增強鋁基復合材料的精確成形和批量化工業生產。

技術領域

本發明涉及高性能鋁基復合材料精密成形技術領域，尤其涉及一種結構可控的3D增強鋁基復合材料及其制備方法。

背景技術

連續纖維增強鋁基復合材料具有比強度和比模量高、熱膨脹系數低、耐熱性好和抗老化等優良的綜合性能，作為鈦合金和樹脂基復合材料等傳統結構材料的有力競爭者和替代者而備受國內外研究者重視。大量研究表明，單向增強鋁基復合材料沿纖維軸向具有極高的強度和模量，而其沿纖維橫向力學性能較差；2D疊層增強鋁基復合材料可通過鋪層角度設計而調節其面內性能，但仍存在層間結合強度低和沖擊韌性差等不足，從而限制了其工程應用范圍。近年來出現的3D增強鋁基復合材料，不僅繼承了連續纖維增強鋁基復合材料輕質高強高模和熱膨脹率低的優點，而且完全整體、立體交織的3D增強體網絡使其具有良好的結構整體性和各向性能可設計性，是滿足航空航天結構向整體化、輕量化和結構/性能一體化方向發展的新一代鋁基復合材料。

目前，3D增強鋁基復合材料的主要制備方法為液態壓力浸滲法，其基本技術思路為：將連續纖維束通過編織法或機織法制備成3D纖維預制體，然后采用擠壓鑄造法、真空吸滲法或真空壓力浸滲法等工藝，在壓力作用下將液態鋁合金強迫滲透至3D纖維預制體及其內部纖維束中，冷卻后脫模制得3D增強鋁基復合材料。但是目前該制備方法存在如下技術難點：(1)3D纖維預制體中纖維束沿不同方向分布且相互搭接，當液態金屬沿纖維束方向浸滲流動時對纖維束內間隙的填充較為充分，而液態金屬沿垂直纖維束方向浸滲流動則十分困難，無法完全填充纖維束內間隙，特別是在纖維束搭接處液態金屬甚至完全無法滲透和填充，因此制備的復合材料缺陷多、組織致密性低，從而影響復合材料的組織和力學性能；(2)通過編織法或機織法制備的3D纖維預制體中纖維的體積分數難以精確控制，同時液態壓力浸滲法制備中壓力易于引起3D纖維預制體宏觀變形、內部各方向纖維束偏移和纖維束內的纖維偏聚，因此無法精確控制3D增強鋁基復合材料內部纖維結構形狀和纖維體積分數。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結構可控的3D增強鋁基復合材料及其制備方法，所制備的3D增強鋁基復合材料不但具有組織致密性高和微觀缺陷少的特點，而且具有纖維體積分數和增強結構可精確設計和控制等優點，可實現大尺寸構件的批量化制造，具有良好的應用前景。。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種結構可控的3D增強鋁基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

將單向纖維布沿纖維方向進行鋪疊，固定后，得到單向纖維板；

將所述單向纖維板與第一液態鋁合金沿纖維方向進行液態浸滲復合，得到單向纖維增強鋁基復合材料板材；

將所述單向纖維增強鋁基復合材料板材沿平行纖維方向進行切割，得到單向鋁基復合材料絲材；

將所述單向鋁基復合材料絲材按照3D結構進行搭接后，進行固結綁定，得到3D增強體；

將所述3D增強體與第二液態鋁合金進行復合，得到結構可控的3D增強鋁基復合材料。

優選的，所述單向纖維布包括石墨纖維布、碳化硅纖維布或氧化鋁纖維布。

優選的，以體積百分數計，所述單向纖維板的纖維含量為50～70％。