[發明專利]一種碳纖維增強金屬板軋制成型設備及方法

有效

• 申請號: 202111334669.0
• 申請日: 2021-11-11
• 公開（公告）號: CN113996770B
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 林金保;牟維鵬;何文慧;劉二強;李文文;方曉燕
• 申請（專利權）人: 太原科技大學
• 主分類號: B22D11/06
• 分類號: B22D11/06;B22D11/115;C22C47/08
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本發明屬于金屬基復合材料技術領域，具體涉及一種碳纖維增強金屬板軋制成型設備及方法，目的是解決現有碳纖維增強金屬基復合板制備工藝復雜、生產環境要求高、難以實現連續生產、碳纖維體積分數低、碳纖維容易損傷、碳纖維在基體中分布不均勻等技術問題。本發明采用超薄金屬板上提前鋪設碳纖維，避免了復合板制備過程中導致的碳纖維分布不均勻的問題，結合電磁振蕩裝置，完成金屬基體對碳纖維的浸潤作用，利用軋制工藝直接制備碳纖維增強金屬基復合板，使高體積分數的碳纖維均勻的分布在金屬板內，充分發揮碳纖維的抗拉性能，具有制備工藝簡單、增強體分布均勻、可實現復合板連續生產的優點。

技術領域

本發明屬于金屬基復合材料領域，具體涉及一種碳纖維增強金屬板軋制成型設備及方法。

背景技術

碳纖維增強金屬基復合材料以金屬為基體，碳纖維為增強相，集碳纖維和金屬基體的優點于一體，彌補了金屬基體在拉伸性能等方面的不足，其中，碳纖維主要起到承擔載荷的作用，金屬基體則起到連接增強體、傳遞載荷的作用。此外，碳纖維具有低密度、高強度、高模量、低熱膨脹系數、耐高溫、高導熱與導電率、抗輻射等優點，結合上金屬基體良好的韌性、優異的導電導熱性能，使碳纖維增強金屬基復合材料比傳統的復合材料更適用于現代化的生產應用。目前，廣泛應用的金屬基體有鋁基、鎂基、鈦基、銅基等材料，自上世紀五十年代就開始了碳纖維增強鋁基復合材料的研究，現階段也已經取得了顯著的成效，采用鋁和鋁合金作為基體制備的碳纖維增強復合材料，能夠有效的降低產品的質量，提高復合材料的各項性能，尤其是單向拉伸性能，為新型材料的生產節約了很多的成本。因此，在航空航天、電子行業以及汽車行業都有碳纖維增強金屬基復合材料的應用。

經過國內外學者幾十年的研究與探索，碳纖維增強金屬基復合材料在生產工藝、理論基礎、界面反應、綜合性能等方面都有了很大的發展。然而仍有一些問題困擾著其性能進一步的提升，例如高溫環境下，碳纖維容易與金屬基體發生界面反應，大多數的界面反應產物對復合材料的性能都會造成不利的影響；再者，碳纖維在高溫環境下容易發生氧化，從而失去其自身的優異性能，因此復合材料在制備過程中應該為真空或者惰性氣氛狀態；此外，諸多生產碳纖維增強金屬基復合材料的工藝設備比較復雜，且對實驗環境要求較高，從而制約了復合材料的生產規模，導致難以實現大規模連續化生產。因此，要想大規模連續的生產碳纖維增強金屬基復合材料，需要在制備工藝上做出改進。

為了確保碳纖維均勻的分散在基體中，將碳纖維提前鋪設在超薄金屬板上，進而固定在生產設備上，從而解決了以往制備的復合材料中碳纖維體積分數低、分布不均勻的問題，其中碳纖維的含量可通過增加超薄金屬板的數量實現。這樣的設置也不會妨礙碳纖維的前期處理，例如碳纖維表面金屬化。

電磁振蕩線圈裝置的添加，能夠在一定程度上解決金屬基體與碳纖維之間浸潤性差的問題，通過軋制前期的振蕩過程，來提高碳纖維與金屬基體之間的界面結合強度。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利“一種碳纖維增強金屬層合方管及其制作方法”（申請號201810037321.7）公布了一種采用金屬薄壁方管折疊變形的預測方法，初步預測薄壁結構折疊變形的波長，然后將碳纖維平鋪在金屬表面，最后對含有碳纖維的金屬板進行加熱加壓制備成品。中國發明專利“一種三維編織碳纖維增強金屬基復合材料及其制備方法”（申請號201811206218?.7）公布了一種三維編織碳纖維增強金屬基復合材料的制備方法，即首先對碳纖維進行預處理，然后將預處理后的碳纖維與金屬絲綁定在一起，再將金屬絲碳纖維復合體編織成三維架構，最后將三維碳纖維架構增強體與基體金屬液在超聲振動下擠壓成型。中國發明專利“一種在線熔融碳纖維增強鋁鎂復合板鑄軋成型設備及方法”（申請號201811529124?.3）公布了一種在線熔融碳纖維增強鋁鎂復合板的制備方法，即將金屬板和碳纖維一起固定在軋輥上，利用加熱線圈對金屬板進行加熱，同時向鑄軋密閉腔內吹入惰性氣體形成保護氣氛，使其達到同步生產復合材料的效果，最終經冷卻后制備碳纖維增強鋁鎂復合板。這些技術所涉及金屬基復合材料制備工藝均可以制備出碳纖維增強金屬基復合材料，但存在生產工藝與設備復雜、制備成本太高、碳纖維易遭受氧化損傷、不能實現連續化生產等問題。

發明內容