一種碳纖維增強鋁基復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳纖維增強鋁基復合材料及其制備方法。所述復合材料由如下重量百分比的組分組成：Cu0.15～0.3%；Mn0.1～0.17%；Mg2.1～2.5%；Zn0.02～0.07%；Cr0.04～0.25%；Ti0.22～0.33%；Si0.4～0.8%；Fe0.15～0.3%；碳纖維：5.12～6.81%；余量為Al。其制備方法包括備料、配料、纖維表面預處理、涂覆處理、熔煉、合金處理、保溫、復合、除氣和澆注等步驟，制備出的碳纖維增強鋁基復合材料密度達到2.1g/cm3、抗拉強度達到325MPa、硬度為120HB、彈性模量202GPa、比強度324MPa、比彈性模量128GPa、在5×106循環(huán)周次下疲勞強度為170（S）/MPa。
【專利說明】一種碳纖維增強鋁基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳纖維增強鋁基復合材料及其制備方法，具體涉及一種康復器械用輕質(zhì)高強耐蝕以鋁或鋁合金為基體的碳纖維增強復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]我國巨大的人口基數(shù)將使老齡化和殘疾人問題在未來十年內(nèi)成為嚴重的社會問題。2012年，我國肢體殘疾2472萬人，僅23.3%左右的殘疾人得到康復服務，主動要求配置康復器具占38.56%，實際配置康復器具只占7.31%。大力發(fā)展康復器具，減輕家庭護理負擔，是我國面臨的艱巨任務。隨著人們對康復器械的要求也越來越高，康復器械要求輕質(zhì)、耐用、便攜。目體外用康復器械多為鋼制，重量大、易銹蝕、應力集中并引起金屬疲勞，解決鋼制康復器械現(xiàn)存的諸多問題以達到輕質(zhì)、便攜、抗震、耐蝕、抗疲勞等要求就需要用新型材料替代。碳纖維有多種優(yōu)異的性能特點，如:低比重、高強度和高模量；耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕和耐疲勞；振動衰減性高、電與熱傳導性高、熱膨脹系數(shù)低、X光穿透性高，且為非磁性材料，并有著很強的電磁遮蔽性等等，尤其在具備很高強度的同時還能呈現(xiàn)出良好的剛性；并且在高性能纖維行列中，有著最高的比強度(強度/密度)和比模量(模量/密度)。鋁基復合材料由于具有質(zhì)量輕、耐磨性好、價格低等優(yōu)點，被普遍認為是一種較理想的結構材料。增強鋁基復合材料是由鋁合金基體和高性能增強體復合而成的一種高技術新材料。將碳纖維和鋁合金兩者有機結合，把性能優(yōu)異的碳纖維與技術成熟且廉價的鋁合金復合，開發(fā)出可應用在康復器械上的碳纖維鋁基復合材料，既能降低開發(fā)的技術難度，又能通過碳纖維與鋁合金的有效復合制作的材料用于康復器械上達到輕質(zhì)、便攜要求。由于碳纖維增強鋁基復合材料具有良好的綜合性能，其比強度高于傳統(tǒng)的鋁合金，比模量甚至超過鈦合金，可以用作高強、輕質(zhì)、便攜康復器械的結構材料，提高結構安全性或優(yōu)化結構設計。在提高康復器械穩(wěn)定性、安全性的基礎上進一步實現(xiàn)其輕量化，具有實際的社會意義跟實際使用價值，且擁有廣闊的市場前景。采用纖維來增強鋁基體通常具有高比強度、高比模量、高的韌性、疲勞性能及抗沖擊能力好；良好的耐熱、耐磨、和阻尼性能；不老化、不吸濕、防燃等特點，成為各國高新材料研究開發(fā)的重要領域。
[0003]但是，現(xiàn)有的增強鋁基復合材料還不夠輕量化，減震性不夠強，其強度和塑形不夠高；而且，目前制備增強鋁基復合材料常用的方法主要是擠壓鑄造法、連續(xù)浸滲法、真空低壓浸滲法、真空吸鑄法、熱壓擴散粘結法等。但傳統(tǒng)的制備方法都有其缺點:(I)擠壓鑄造法，由于制備壓力大，容易造成增強體損傷和預制塊變形，因此對壓力以及纖維預制件的剛度等有一定的要求，并且設備和操作以及模具設計也比較復雜。(2)真空低壓浸滲法，工藝復雜、制件小，對設備要求較高、且生產(chǎn)周期長，工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)大型復合材料制品不容易實現(xiàn)。(3)熱壓擴散粘結法，只適用于制造形狀簡單、尺寸較小的零件，且在擴散黏結時所需要的時間長，在高溫和高壓條件下生產(chǎn)成本較高。(4)熱軋法要求在真空或惰性氣體保護下進行加工，對設備和工藝都有很高要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種生產(chǎn)成本低廉、適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的碳纖維增強鋁基復合材料及其制備方法。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明提供的技術方案為:
所述碳纖維增強鋁基復合材料由如下重量百分比的組分組成:
Cu 0.15 ~0.3%
Mn 0.1 ~0.17%
Mg 2.1 ~2.5%
Zn 0.02 ~0.07%
Cr 0.04 ~0.25%
Ti 0.22 ~0.33%
Si 0.4 ~0.8%
Fe 0.15 ~0.3%
碳纖維:5.12~6.81%
余量為Al。
[0006]上述碳纖維增強鋁基復合材料的方法包括如下步驟:
(1)將碳纖維加熱至445~485°C，保溫40~50min后冷卻至室溫(20~30°C);將冷卻后的碳纖維浸入23~27g/L的SnCl2中10~15min進行敏化,將敏化后的碳纖維浸入 40~45%的HNO3中煮沸30~40min進行氧化；用離子水沖洗氧化后的碳纖維至洗液PH為
6.5~7.5,然后將碳纖維于120~150°C條件下真空干燥I~2小時；
(2)對經(jīng)步驟(1)處理后的碳纖維進行電鍍銅或化學鍍銅；所述電鍍銅或化學鍍銅均為本領域常規(guī)技術手段；
(3)將6061鋁合(該鋁合金中含有Cu、Mn、Mg、Zn、Cr、T1、S1、Fe等元素)金熔化，向熔化后的6061鋁合金中添加占碳纖維增強鋁基復合材料總重量1.2~1.6%的Mg和占碳纖維增強鋁基復合材料總重量0.12~0.18%的Ti (因為6061鋁合金本身含Mg 0.9%和Ti 0.19T0.15%)，于720~750°C保溫0.5~2h，表面除渣后得鋁熔體；所述表面除渣(常規(guī)方法)是在720~750°C保溫0.5~2h后，加入打渣劑通入氮氣氮氣攪拌I~2min后，靜置 15~30min，然后去除表面的熔渣；
(4)將經(jīng)步驟(2)鍍銅后的碳纖維于800~840°C條件下與鋁熔體攪拌混合后倒入模具中澆筑，即得碳纖維增強鋁基復合材料。
[0007]其中，步驟(2)所述電鍍銅是用硫酸銅和98%的濃硫酸配制成銅離子濃度為500~ 540g/L的硫酸銅酸性鍍銅液，然后向硫酸銅酸性鍍銅液中添加光亮劑，所述光亮劑與硫酸銅酸性鍍銅液的體積比為1:23~27，再將碳纖維浸入硫酸銅酸性鍍銅液中電鍍30~ 50mino
[0008]步驟(2)所述化學鍍銅是將銅離子濃度為500~540g/L的硫酸銅溶液、EDTA溶液和濃度為200g/L的氫氧化鈉溶液按體積比3: (2.5~3.5): (3.5~4.5)配制成鍍銅液，將碳纖維浸入鍍銅液中鍍銅45~55min，然后將鍍銅處理后的碳纖維浸入濃度為35~ 45g/L的硼酸溶液中3~5min,再于120~150°C條件下真空干燥I~2h。
[0009]所述碳纖維長度為10~40mm。[0010]采用上述配方和工藝流程及參數(shù)制作的新型康復器械用碳纖維鋁基復合材料，其密度達到2.lg/cm3、抗拉強度達到325MPa、硬度為120HB、彈性模量202GPa、比強度324MPa、比彈性模量128GPa、在5X IO6循環(huán)周次下疲勞強度為170 (S) /MPa。
[0011 ] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過添加短碳纖維于鋁基體中，碳纖維具備低比重、高強度和高模量；耐高溫、耐摩擦、耐腐燭和耐疲勞等優(yōu)良特性，在鋁合金中主要起強化作用。并且本發(fā)明大量提高Mg元素含量和Ti元素含量，提高鎂元素含量不僅使材料相比現(xiàn)有碳纖維材料更加輕量化，而且比現(xiàn)有碳纖維鋁基復合材料的減震性更強，提高鈦元素含量使材料比現(xiàn)有碳纖維鋁基復合材料強度更高。本發(fā)明配合適當?shù)墓に囍贫龋苽涑龅奶祭w維鋁基復合材料的性能得到顯著改善，具有較高的抗拉強度、比強度、比彈性模量、疲勞強度以及較高的耐磨耐腐蝕性，用該復合材料制備的康復器械完全能達到目前人們對康復器械領域的高要求。針對之前方法制備碳纖維鋁基復合材料時易損傷增強體、設備和操作要求高、工藝復雜、成本高、制備對象局限性等缺點，本發(fā)明方法生產(chǎn)成本低廉、適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的碳纖維增強鋁基復合材料及其制備方法，其比強度、比剛度、耐蝕性、耐磨度和抗疲勞強度等綜合性能優(yōu)異?？傊?，該復合材料是一種輕質(zhì)高強高性能、能滿足康復器械輕便、耐用、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、抗震等要求的新型復合材料。
【具體實施方式】
[0012]實施例1
所述碳纖維增強鋁基復合材料由如下重量百分比的組分組成:
Cu 0.15%
Mn 0.17%
Mg 2.1%
Zn 0.07%
Cr 0.04%
Ti 0.33%
Si 0.4%
Fe 0.3%
碳纖維:5.12%
余量為Al。
[0013]實施例2
所述碳纖維增強鋁基復合材料由如下重量百分比的組分組成:
Cu 0.3%
Mn 0.1%
Mg 2.5%
Zn 0.02%
Cr 0.25%
Ti 0.22%
Si 0.8%
Fe 0.15%碳纖維:6.81%
余量為Al。
[0014]實施例3
制備實施例1或2所述碳纖維增強鋁基復合材料的方法包括如下步驟:
(1)將碳纖維加熱至465°C，保溫45min后冷卻至25°C;將冷卻后的碳纖維浸入25g/L 的SnCl2中10~15min進行敏化，將敏化后的碳纖維浸入42%的HNO3中煮沸35min進行氧化；用離子水沖洗氧化后的碳纖維至洗液PH為6.5~7.5，然后將碳纖維于120~150°C條件下真空干燥I~2小時；
(2)稱取650g的CuSO4放入1000mL燒杯中，溶解于少量(IOOmL)去離子水中，再量取 320mL濃硫酸(濃度為98%，18.4mol/L)注入上述溶液中配置成500mL硫酸銅酸性鍍銅液(銅離子濃度為520g/L)，冷卻至室溫后，向鍍銅液添加20mL光亮劑(光亮劑與硫酸銅酸性鍍銅液的體積比為1:25)。將經(jīng)步驟(1)處理的截好的一定長度(10~40mm)的碳纖維放于盛有硫酸銅酸性鍍銅液的電解槽中，電鍍30~50min ；
(3)將6061鋁合(該鋁合金中含有Cu、Mn、Mg、Zn、Cr、T1、S1、Fe等元素)金熔化，向熔化后的6061鋁合金中添加占碳纖維增強鋁基復合材料總重量1.2~1.6%的Mg和占碳纖維增強鋁基復合材料總重量0.12~0.18%的Ti，于720~750°C保溫0.5~2h，表面除渣后得鋁熔體；所述表面除渣(常規(guī)方法)是在720~750°C保溫0.5~2h后，加入打渣劑通入氮氣氮氣攪拌I~2min后,靜置15~30min,然后去除表面的熔洛；
(4)將經(jīng)步驟(2)鍍銅后的碳纖維于800~840°C條件下與鋁熔體攪拌混合(攪拌 5_8min,轉數(shù)1050r/min,保溫時間為25min)后倒入已預熱至550°C的模具中燒筑，即得碳纖維增強鋁基復合材料。[0015]采用上述配方和工藝流程及參數(shù)制作的新型康復器械用碳纖維鋁基復合材料，其密度達到2.lg/cm3、抗拉強度達到325MPa、硬度為120HB、彈性模量202GPa、比強度324MPa、 比彈性模量128GPa、在5X IO6循環(huán)周次下疲勞強度為170 (S) /MPa。
[0016]實施例4
制備實施例1或2所述碳纖維增強鋁基復合材料的方法包括如下步驟:
(1)將碳纖維加熱至465°C，保溫45min后冷卻至25°C;將冷卻后的碳纖維浸入25g/L 的SnCl2中10~15min進行敏化，將敏化后的碳纖維浸入42%的HNO3中煮沸35min進行氧化；用離子水沖洗氧化后的碳纖維至洗液PH為6.5~7.5，然后將碳纖維于120~150°C條件下真空干燥I~2小時；
(2)將CuSO4溶液(銅離子濃度為520g/L)150mL與150mL EDTA溶液混合于容器中，再加入NaOH溶液(濃度為200g/L) 200mL (硫酸銅溶液、EDTA溶液、氫氧化鈉溶液的體積比是 3:3:4),配置500mL鍍銅溶液，稱取0.45g左右預處理過的碳纖維(10~40mm)置于鍍銅溶液中，攪拌使其充分散開，經(jīng)50min鍍銅處理后，將制備好的鍍銅短纖維放入40g/L)硼酸水溶液中浸泡3~5分鐘，取出，使其外表而包覆一層硼酸，防止鍍銅的碳纖維被氧化，而后于 120~150°C條件下真空干燥I~2h ;
(3)將6061鋁合(該鋁合金中含有Cu、Mn、Mg、Zn、Cr、T1、S1、Fe等元素)金熔化，向熔化后的6061鋁合金中添加占碳纖維增強鋁基復合材料總重量1.2~1.6%的Mg和占碳纖維增強鋁基復合材料總重量0.12~0.18%的Ti，于720~750°C保溫0.5~2h，表面除渣后得鋁熔體；所述表面除渣(常規(guī)方法)是在720~750°C保溫0.5~2h后，加入打渣劑通入氮氣攪拌I~2min后,靜置15~30min,然后去除表面的熔洛；
(4)將經(jīng)步驟(2)鍍銅后的碳纖維于800~840°C條件下與鋁熔體攪拌混合(攪拌5_8min,轉數(shù)1050r/min,保溫時間為25min)后倒入已預熱至550°C的模具中燒筑，即得碳纖維增強鋁基復合材料。
[0017]采用上述配方和工藝流程及參數(shù)制作的新型康復器械用碳纖維鋁基復合材料，其密度達到2.lg/cm3、 抗拉強度達到325MPa、硬度為120HB、彈性模量202GPa、比強度324MPa、比彈性模量128GPa、在5X IO6循環(huán)周次下疲勞強度為170 (S) /MPa。
【權利要求】
1.一種碳纖維增強鋁基復合材料，其特征在于，所述復合材料由如下重量百分比的組分組成:Cu 0.15 ~0.3%Mn 0.1 ~0.17%Mg 2.1 ~2.5%Zn 0.02 ~0.07%Cr 0.04 ~0.25%Ti 0.22 ~0.33%Si 0.4 ~0.8%Fe 0.15 ~0.3%碳纖維:5.12~6.81%余量為Al。
2.一種制備如權利要求1所述碳纖維增強鋁基復合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟:(1)將碳纖維加熱至445~485°C，保溫40~50min后冷卻至20~30°C;將冷卻后的碳纖維浸入23~27g/L的SnCl2中10~15min進行敏化,將敏化后的碳纖維浸入40~45% 的HNO3中煮沸30~40min進行氧化；用離子水沖洗氧化后的碳纖維至洗液PH為6.5~7.5，然后將碳纖維于120~150°C條件下真空干燥I~2小時；(2)對經(jīng)步驟(1)處理后的碳纖維進行電鍍銅或化學鍍銅；(3)將6061鋁合金熔化，向熔化后的6061鋁合金中添加占碳纖維增強鋁基復合材料總重量1.2~1.6%的Mg和占碳纖維增強鋁基復合材料總重量0.12~0.18%的Ti，于720~ 750°C保溫0.5~2h，表面除渣后得鋁熔體；(4)將經(jīng)步驟(2)鍍銅后的碳纖維于800~840°C條件下與鋁熔體攪拌混合后倒入模具中澆筑，即得碳纖維增強鋁基復合材料。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述電鍍銅是用硫酸銅和98%的濃硫酸配制成銅離子濃度為500~540g/L的硫酸銅酸性鍍銅液,然后向硫酸銅酸性鍍銅液中添加光亮劑，所述光亮劑與硫酸銅酸性鍍銅液的體積比為1:23~27，再將碳纖維浸入硫酸銅酸性鍍銅液中電鍍30~50min。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述化學鍍銅是將銅離子濃度為500~540g/L的硫酸銅溶液、EDTA溶液和濃度為200g/L的氫氧化鈉溶液按體積比3: (2.5~3.5): (3.5~4.5)配制成鍍銅液，將碳纖維浸入鍍銅液中鍍銅45~55min，然后將鍍銅處理后的碳纖維浸入濃度為35~45g/L的硼酸溶液中3~5min，再于120~150°C 條件下真空干燥I~2h。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳纖維長度為l(T40mm。
【文檔編號】C22C47/04GK103602932SQ201310663377
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月10日 優(yōu)先權日:2013年12月10日
【發(fā)明者】王孟君, 肖濤, 王劍, 葛鵬, 程軒, 梁巖 申請人:湖南健行康復器材科技發(fā)展有限公司