專利名稱：一種碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳纖維鍍銅、銅鍍層表面氣相沉積純鎢和金屬復(fù)合材料的制備工藝，屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料由具有高比強(qiáng)度的鈦合金和具有高比模量、抗拉伸的碳纖維復(fù)合而成，具有密度低、比強(qiáng)度高、抗拉伸及比模量高等優(yōu)點(diǎn)。其力學(xué)性能可通過調(diào)整碳纖維在鈦合金內(nèi)的分布狀態(tài)以及鈦合金成分的控制進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)整，是一種高性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。 現(xiàn)階段的建筑材料內(nèi)使用碳纖維與金屬材料復(fù)合時多采取簡單的機(jī)械復(fù)合方式或直接將碳纖維用冶金方式復(fù)合于金屬塊體內(nèi)。其缺點(diǎn)在于這樣獲得的復(fù)合材料結(jié)合力很低，在使用中容易發(fā)生脫抽，很難發(fā)揮出碳纖維抗拉伸及抗剪切的優(yōu)勢。鈦合金因其高的比強(qiáng)度常用于抗沖擊領(lǐng)域?，F(xiàn)階段可制備出短碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料，但短纖維對提高其抗剪切能力效果不顯著且碳纖維的排布難以控制。碳纖維在加熱到450°C以上會發(fā)生失重，而該溫度無法達(dá)到鈦合金的粉末冶金溫度，且因其具有疏水性和表面惰性，無法直接通過粉末冶金法與鈦合金復(fù)合；因?yàn)榧冩u會與碳纖維發(fā)生反應(yīng)生成碳化鎢，直接利用氣相沉積在碳纖維表面沉積純鎢的方法會導(dǎo)致碳纖維在高溫下失重。本發(fā)明利用碳纖維預(yù)處理后化學(xué)鍍銅方法先將其表面金屬化，再在其表面利用氣相沉積的方法沉積一層純鎢，進(jìn)而在鈦合金的粉末冶金過程中與之復(fù)合，解決了碳纖維無法承受粉末冶金制備鈦合金時高溫的問題，也解決了直接利用鎢作為保護(hù)層時與碳纖維在高溫時發(fā)生反應(yīng)形成碳化鎢的問題。制成的材料具有高的比強(qiáng)度和比模量，成品的形狀及其內(nèi)部碳纖維的分布、鈦合金的成分均可控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服碳纖維難以復(fù)合入鈦合金內(nèi)且結(jié)合差以及表面沉積鎢以防止碳纖維高溫失重時會形成碳化鎢等缺點(diǎn)，提供一種具有高的比強(qiáng)度、比模量且碳纖維分布狀態(tài)可控、鈦合金成分可控的碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是在碳纖維表面通過鍍銅使其金屬化以防止其在高溫條件下與鎢反應(yīng)生成碳化鎢；再利用鎢耐高溫的特性采用粉末冶金法與鈦合金復(fù)合，提高了與鈦合金的結(jié)合強(qiáng)度；針對碳纖維在鈦合金中的分布要求，采用機(jī)械結(jié)合法將其在壓模中先行排布，再進(jìn)行溫壓成形使之按分布要求與鈦合金粉形成預(yù)制坯最終進(jìn)行燒結(jié)獲得成品。上述的具有高比強(qiáng)度和比模量的碳纖維增強(qiáng)鈦合金的制備方法如下
步驟I、碳纖維預(yù)處理；
步驟2、碳纖維表面化學(xué)鍍銅利用化學(xué)鍍方法將銅包覆于碳纖維表面；步驟3、化學(xué)氣相沉積純鎢在包覆了銅的碳纖維表面通過化學(xué)氣相沉積法獲得鎢沉積層；
步驟4、按設(shè)計要求通過裁剪的方法獲得合適長度的碳纖維；
步驟5、按設(shè)計的鈦合金成分要求混粉后與碳纖維一同裝入壓模內(nèi)熱壓成型并燒結(jié)最終得到需要形狀的碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料。本發(fā)明相對于現(xiàn)有的通過簡單機(jī)械復(fù)合方法獲得的碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料，其優(yōu)勢在于
(1)在碳纖維表面通過鍍銅使其金屬化，提高了其與純鎢結(jié)合力的同時又防止在高溫條件下與鎢反應(yīng)生成碳化鎢；再利用鎢耐高溫的特性采用粉末冶金法與鈦合金復(fù)合，提高了與鈦合金的結(jié)合強(qiáng)度；針對碳纖維在鈦合金中的分布要求，采用機(jī)械方法將其在壓模中先行排布，再進(jìn)行溫壓成形使之按分布要求與鈦合金粉形成預(yù)制坯最終進(jìn)行燒結(jié)獲得成 品，最終使通過粉末冶金法獲得碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料變?yōu)榭赡堋?
(2)通過粉末冶金法獲得的碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料界面結(jié)合良好，不易發(fā)生脫抽，保證了材料的高比模量。
(3)可獲得長碳纖維鈦合金復(fù)合材料，并且碳纖維在鈦合金內(nèi)的分布狀態(tài)以及鈦合金成分均可控制。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合四個具體實(shí)施例，示例性說明及幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明。但實(shí)施例具體細(xì)節(jié)僅是為了說明本發(fā)明，并不代表本發(fā)明構(gòu)思下的全部技術(shù)方案，因此不能理解為對本發(fā)明技術(shù)方案的限定。一些不偏離本發(fā)明構(gòu)思的非實(shí)質(zhì)性改動，例如以具有相同或相似技術(shù)效果的技術(shù)特征簡單改變或替換，均屬本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍。實(shí)施例I
1、首先對碳纖維采用300°c的空氣灼燒法除膠，其后使用成分為硝酸、重鉻酸鉀、雙氧水和過硫酸銨的粗化液粗化，再應(yīng)用10%Na0H溶液對其進(jìn)行中和并使用SnCl2作為敏化液進(jìn)行敏化，之后采用成分為PdCl2和AgCl的活化液進(jìn)行活化,最終使用20g/L的次亞磷酸鈉溶液浸泡碳纖維I 3min以完成還原過程；
2、采用化學(xué)鍍銅的方法對碳纖維進(jìn)行處理。鍍液成分包含CuSO4,HCHO，NaKC4H406。鍍液PH值為12. 7，施鍍溫度60°C，施鍍時間20min。為保持碳纖維施鍍過程中的獨(dú)立均勻分布狀態(tài)，采用超聲波振蕩法對化學(xué)鍍銅液進(jìn)行均勻分散。取出后用去離子水水洗15min，再在70 80°C的熱風(fēng)中干燥20min ；
3、利用化學(xué)氣相沉積設(shè)備對鍍銅的碳纖維進(jìn)行純鎢的氣相沉積。沉積純鎢時采用的原料為WF6和H2，排凈空氣后升溫至450°C，升溫過程中持續(xù)通入氫氣，時間約lh，溫度穩(wěn)定后調(diào)節(jié)氫氣流量至2L/min，并通入WF6氣體，流量為O. 8L/min ; Ih后停止通入WF6，緩慢降溫至100°C時停止反應(yīng)；
4、將碳纖維剪成5mm的長度；
5、按照TClO鈦合金成分(鋁6%、釩6%、錫2%、鈦剩余)制備合金粉末；在模具內(nèi)均勻鋪置2cm厚的合金粉末后在其上以Icm的間距平行排列裁剪好的碳纖維，再鋪置2cm的合金粉末，重復(fù)上述過程至模具填滿后，將模具與粉體同時加熱，溫度為12(T180°C，壓制壓力為500MPa，保壓30s，再在真空爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250°C，保溫3h，空冷獲得成品。實(shí)施例2
1、首先對碳纖維采用300°C的空氣灼燒法除膠，其后使用成分為硝酸、重鉻酸鉀、雙氧水和過硫酸銨的粗化液粗化，再應(yīng)用10%Na0H溶液對其進(jìn)行中和并使用SnCl2作為敏化液進(jìn)行敏化，之后采用成分為PdCl2和AgCl的活化液進(jìn)行活化,最終使用20g/L的次亞磷酸鈉溶液浸泡碳纖維I 3min以完成還原過程；
2、采用化學(xué)鍍銅的方法對碳纖維進(jìn)行處理。鍍液成分包含CuSO4,HCHO，NaKC4H406。鍍液PH值為12. 7，施鍍溫度60°C，施鍍時間20min。為保持碳纖維施鍍過程中的獨(dú)立均勻分布狀態(tài)，采用超聲波振蕩法對化學(xué)鍍銅液進(jìn)行均勻分散。取出后用去離子水水洗15min，再在70 80°C的熱風(fēng)中干燥20min ;3、利用化學(xué)氣相沉積設(shè)備對鍍銅的碳纖維進(jìn)行純鎢的氣相沉積。沉積純鎢時采用的原料為WF6和H2，排凈空氣后升溫至550°C，升溫過程中持續(xù)通入氫氣，時間約lh，溫度穩(wěn)定后調(diào)節(jié)氫氣流量至2L/min，并通入WF6氣體，流量為I. 2L/min ；I. 5h后停止通入WF6,緩慢降溫至100°C時停止反應(yīng)；
4、將碳纖維剪成IOmm的長度；
5、按照TClO鈦合金成分(鋁6%、釩6%、錫2%、鈦剩余)制備合金粉末；在模具內(nèi)均勻鋪置Icm厚的合金粉末后在其上以網(wǎng)狀排列的方式置放裁剪好的碳纖維，兩根最近鄰的平行的碳纖維間間距為1cm，再在其上鋪置Icm的合金粉末，重復(fù)上述過程至模具填滿后，將模具與粉體同時加熱，溫度為12(T180°C，壓制壓力為500MPa，保壓30s，再在真空爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250°C，保溫3h，空冷獲得成品。實(shí)施例3
1、首先對碳纖維采用300°C的空氣灼燒法除膠，其后使用成分為硝酸、重鉻酸鉀、雙氧水和過硫酸銨的粗化液粗化，再應(yīng)用10%Na0H溶液對其進(jìn)行中和并使用SnCl2作為敏化液進(jìn)行敏化，之后采用成分為PdCl2和AgCl的活化液進(jìn)行活化,最終使用20g/L的次亞磷酸鈉溶液浸泡碳纖維I 3min以完成還原過程；
2、采用化學(xué)鍍銅的方法對碳纖維進(jìn)行處理。鍍液成分包含CuSO4,HCHO，NaKC4H406。鍍液PH值為12. 7，施鍍溫度60°C，施鍍時間20min。為保持碳纖維施鍍過程中的獨(dú)立均勻分布狀態(tài)，采用超聲波振蕩法對化學(xué)鍍銅液進(jìn)行均勻分散。取出后用去離子水水洗15min，再在70 80°C的熱風(fēng)中干燥20min ；
3、利用化學(xué)氣相沉積設(shè)備對鍍銅的碳纖維進(jìn)行純鎢的氣相沉積。沉積純鎢時采用的原料為WF6和H2，排凈空氣后升溫至450°C，升溫過程中持續(xù)通入氫氣，時間約lh，溫度穩(wěn)定后調(diào)節(jié)氫氣流量至2L/min，并通入WF6氣體，流量為O. 8L/min ; Ih后停止通入WF6，緩慢降溫至100°C時停止反應(yīng)；
4、將碳纖維剪成5mm的長度；
5、按照Til53鈦合金成分(釩15%、鋁3%、鉻3%、錫3%、鈦剩余)制備合金粉末；在模具內(nèi)均勻鋪置Icm厚的合金粉末后在其上以網(wǎng)狀排列的方式置放裁剪好的碳纖維，兩根最近鄰的平行的碳纖維間間距為1cm，再在其上鋪置Icm的合金粉末，重復(fù)上述過程至模具填滿后，將模具與粉體同時加熱，溫度為12(Tl80°C，壓制壓力為500MPa，保壓30s，再在真空爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250°C，保溫3h，空冷獲得成品。實(shí)施例41、首先對碳纖維采用300°c的空氣灼燒法除膠，其后使用成分為硝酸、重鉻酸鉀、雙氧水和過硫酸銨的粗化液粗化，再應(yīng)用10%Na0H溶液對其進(jìn)行中和并使用SnCl2作為敏化液進(jìn)行敏化，之后采用成分為PdCl2和AgCl的活化液進(jìn)行活化,最終使用20g/L的次亞磷酸鈉溶液浸泡碳纖維I 3min以完成還原過程；
2、采用化學(xué)鍍銅的方法對碳纖維進(jìn)行處理。鍍液成分包含CuSO4,HCHO，NaKC4H406。鍍液PH值為12. 7，施鍍溫度60°C，施鍍時間20min。為保持碳纖維施鍍過程中的獨(dú)立均勻分布狀態(tài)，采用超聲波振蕩法對化學(xué)鍍銅液進(jìn)行均勻分散。取出后用去離子水水洗15min，再在70 80°C的熱風(fēng)中干燥20min ；
3、利用化學(xué)氣相沉積設(shè)備對鍍銅的碳纖維進(jìn)行純鎢的氣相沉積。沉積純鎢時采用的原料為WF6和H2，排凈空氣后升溫至550°C，升溫過程中持續(xù)通入氫氣，時間約lh，溫度穩(wěn)定后調(diào)節(jié)氫氣流量至2L/min，并通入WF6氣體，流量為I. 2L/min ；1. 5h后停止通入WF 6，緩慢降溫至100°C時停止反應(yīng)；
4、將碳纖維剪成IOmm的長度；
5、按照Til53鈦合金成分(釩15%、鋁3%、鉻3%、錫3%、鈦剩余)制備合金粉末；在模具內(nèi)均勻鋪置2cm厚的合金粉末后在其上以Icm的間距平行排列裁剪好的碳纖維，再鋪置2cm的合金粉末，重復(fù)上述過程至模具填滿后，將模具與粉體同時加熱，溫度為12(T18(TC，壓制壓力為500MPa，保壓30s，再在真空爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250°C，保溫3h，空冷獲得成品。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料，其特征在于碳纖維分布于鈦合金塊體內(nèi)，鈦合金成分可調(diào)，碳纖維分布可控，該復(fù)合材料是通過在碳纖維表面化學(xué)鍍銅后再在其表面采用化學(xué)氣相沉積法沉積一層純鎢，最后利用粉末冶金法將處理后的碳纖維與鈦合金復(fù)合的方法得到的。
2.如權(quán)利要求I所述的材料，其特征在于鈦合金的成分允許根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
3.如權(quán)利要求I所述的材料，其特征在于碳纖維在粉末冶金所形成的鈦合金塊體內(nèi)的分布位置、角度和數(shù)量允許在粉末冶金所用到的壓模內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。
4.如權(quán)利要求I所述的材料，其特征在于碳纖維表面有鍍銅層，銅層表面沉積有一層純鎢。
5.如權(quán)利要求I所述的材料，其特征在于所述材料是通過以下過程制備的(I)碳纖維在使用前要進(jìn)行去膠、粗化、中和、敏化、活化、還原等預(yù)處理； (2)采用化學(xué)鍍銅的方法在碳纖維表面施鍍，取出后用去離子水水洗并在熱風(fēng)中干燥； (3)采用化學(xué)氣相沉積法，在鍍銅后的碳纖維沉積一層純鎢； (4)按設(shè)計的尺寸要求對碳纖維進(jìn)行裁剪； (5)按設(shè)計的鈦合金成分要求進(jìn)行混粉，將粉末與碳纖維按設(shè)計要求置于壓模內(nèi)進(jìn)行溫壓 成形，最后進(jìn)行燒結(jié)。
6.如權(quán)利要求I所述的一種碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料的制備方法，其特征在于 (1)碳纖維在使用前要進(jìn)行去膠、粗化、中和、敏化、活化、還原等預(yù)處理； (2)采用化學(xué)鍍銅的方法在碳纖維表面施鍍，取出后用去離子水水洗并在熱風(fēng)中干燥； (3)采用化學(xué)氣相沉積法，在鍍銅后的碳纖維沉積一層純鎢； (4)按設(shè)計的尺寸要求對碳纖維進(jìn)行裁剪； (5)按設(shè)計的鈦合金成分要求進(jìn)行混粉，將粉末與碳纖維按設(shè)計要求置于壓模內(nèi)進(jìn)行溫壓成形，最后進(jìn)行燒結(jié)。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于 (1)對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理時，去膠過程采用的是空氣灼燒的方法； (2)對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理時，粗化液成分為硝酸、重鉻酸鉀、雙氧水和過硫酸銨； (3)對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理時，中和過程采用了NaOH溶液； (4)對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理時，敏化過程應(yīng)用了SnCl2作為敏化液； (5)對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理時，活化過程選用了PdCl2和AgCl為活化液； (6)對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理時，還原過程使用次亞磷酸鈉溶液浸泡碳纖維； (7)對碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍銅時，鍍液成分為CuSO4,HCHO，NaKC4H4O6 ;或使用成分為CuSO4 · 5H20, EDTA，KNaC4H4O6 · 4H20, NaOH, HCHO, 2,2' 2 聯(lián)吡啶，K4Fe (CN)6 · 3H20 配成的鍍液施鍍；為保持碳纖維施鍍過程中能獨(dú)立均勻的分布于鍍液之中，采用超聲波振蕩法對化學(xué)鍍銅液進(jìn)行均勻分散； (8)對表面鍍銅的碳纖維進(jìn)行氣相沉積純鎢時，采用的原料為WF6和H2； (9)對表面沉積純鎢的鍍銅碳纖維進(jìn)行與鈦合金的復(fù)合時采用的是粉末冶金法，按鈦合金的成分要求混粉獲得規(guī)定成分的鈦合金粉末后添加內(nèi)潤滑劑，將粉體與碳纖維按設(shè)計的分布要求置于壓模內(nèi)，將模具與粉體同時加熱并加壓進(jìn)行溫壓成型，再在真空爐內(nèi)進(jìn)行紅彡口
8.如權(quán)利要求5所述的碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料的制備方法，其特征在于碳纖維鍍銅層厚度為2飛微米，鎢沉積層的厚度為2飛微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料及其制備方法。該方法的具體步驟是步驟1、碳纖維預(yù)處理；步驟2、碳纖維表面化學(xué)鍍銅利用化學(xué)鍍方法將銅包覆于碳纖維表面；步驟3、化學(xué)氣相沉積純鎢在包覆了銅的碳纖維表面通過化學(xué)氣相沉積法獲得鎢沉積層；步驟4、按設(shè)計要求通過裁剪的方法獲得合適長度的碳纖維；步驟5、按設(shè)計的鈦合金成分要求混粉后與碳纖維一同裝入壓模內(nèi)熱壓成型并燒結(jié)最終得到需要形狀的碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料。本發(fā)明制備的碳纖維增強(qiáng)鈦合金材料復(fù)合良好，鈦合金成分可調(diào)，碳纖維的分布可控，碳纖維不會發(fā)生脫碳。該復(fù)合材料具有高的比模量，同時具有低密度、高的比強(qiáng)度、沖擊韌性和良好的抗絕熱剪切破壞能力，是一種高性能的結(jié)構(gòu)材料。
文檔編號C22C49/11GK102912263SQ20121038250
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者劉金旭, 駱雨萌, 李樹奎, 李沐, 吳騰騰, 楊秋榕, 王迎春 申請人:北京理工大學(xué)