本發(fā)明屬于鈦基復(fù)合材料制備，特別是涉及一種碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(discontinuously?reinforced?titanium?matrixcomposites，drtmcs)是一種輕質(zhì)、耐熱、高強(qiáng)、可變形加工的材料，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，這類(lèi)復(fù)合材料通過(guò)在鈦基體中引入非連續(xù)的增強(qiáng)相，例如陶瓷顆粒、碳材料等，可以有效改善鈦基體的力學(xué)性能、耐磨性、高溫強(qiáng)度和抗氧化性。

2、原位合成法制備的陶瓷相增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有顆粒尺寸細(xì)小、分布均勻，顆粒與基體間界面潔凈無(wú)污染，兩者之間有理想的原位匹配，界面結(jié)合好，增強(qiáng)相粒子熱力學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定。同時(shí)，近年來(lái)的研究表明，采用原位合成法可在鈦合金中合成尺寸可控的增強(qiáng)相納米顆粒，這是原位合成法特有的優(yōu)點(diǎn)。

3、增強(qiáng)相的選擇對(duì)于復(fù)合材料的性能至關(guān)重要。增強(qiáng)相中的tic顆粒因高硬度、良好的耐磨性、熱穩(wěn)定性以及與鈦相似的熱膨脹系數(shù)而成為首選。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)，可以進(jìn)一步提升drtmcs的力學(xué)性能和應(yīng)用范圍?；厥仗祭w維主要來(lái)源于風(fēng)電葉片、飛機(jī)部件等高技術(shù)領(lǐng)域，通過(guò)熱解處理法等分離出來(lái)碳纖維后經(jīng)過(guò)一系列處理得到回收碳纖維。碳纖維的回收技術(shù)正在不斷發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用并減少對(duì)環(huán)境的影響。目前以回收碳纖維為鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)相的研究還鮮有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及其制備方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案之一：

3、一種碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：將改性回收碳纖維和基體粉末充分混合，篩分，將篩下混合物通過(guò)冷壓成型得到生坯，將所述生坯在惰性氣體氣氛下進(jìn)行微波燒結(jié)，制備得到所述碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。

4、優(yōu)選的，所述改性回收碳纖維和基體粉末的質(zhì)量比為(0.1-10)∶(90-99.9)。

5、優(yōu)選的，所述冷壓成型過(guò)程中冷壓壓力為400-700mpa，冷壓時(shí)間5min。

6、優(yōu)選的，所述基體粉末選自純鈦微粉、預(yù)合金微粉或組成合金的單一元素微粉。

7、優(yōu)選的，微波燒結(jié)的功率為2000～3000w，溫度為1000～1200℃，時(shí)間為120min。

8、微波燒結(jié)是一種高效的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，通過(guò)物質(zhì)中的極性分子與微波電磁場(chǎng)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)極性分子如水分存在于介質(zhì)中時(shí)，它們會(huì)在微波的作用下產(chǎn)生快速的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)。隨著電磁場(chǎng)的高頻變化，偶極子以極高的速度(每秒數(shù)億次)不斷重新排列。這種分子間的重新排列和運(yùn)動(dòng)需要克服分子內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)以及分子間的相互作用力，從而產(chǎn)生類(lèi)似摩擦的效果。正是這種分子間的摩擦作用，使得電磁場(chǎng)中的能量逐步轉(zhuǎn)換成熱能，從而引起介質(zhì)溫度的顯著上升。微波加熱技術(shù)因其能夠直接在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，通常比傳統(tǒng)的加熱方式更為迅速和高效。

9、本發(fā)明采用微波燒結(jié)原位合成陶瓷增強(qiáng)相可以進(jìn)一步提升drtmcs的力學(xué)性能和應(yīng)用范圍，可獲得高強(qiáng)度同時(shí)還保持相當(dāng)好的延展性的復(fù)合材料，為鈦基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域提供一種新的思路，也為回收碳纖維的高價(jià)值化利用提供一條新的途徑。

10、優(yōu)選的，所述改性回收碳纖維的制備方法為：以回收碳纖維為陽(yáng)極，以鉑為陰極，置于電解液中，通過(guò)電化學(xué)刻蝕制備得到；

11、所述回收碳纖維通過(guò)微波加熱法回收得到。

12、更為優(yōu)選的，所述微波加熱法分為兩階段，第一階段：功率為600～800w，氣氛為空氣，加熱時(shí)間為20～30min，第二階段：功率為400～600w，氣氛為氬氣，加熱時(shí)間為40～50min。

13、更為優(yōu)選的，所述電解液為酸性或堿性。

14、更為優(yōu)選的，所述電化學(xué)刻蝕的工作電壓為5.5～6v，電流密度為45～60ma/cm2，時(shí)間為5～10min。

15、電化學(xué)刻蝕過(guò)程中，以回收碳纖維作為陽(yáng)極，在電解液中通過(guò)陽(yáng)極氧化反應(yīng)和剝蝕效應(yīng)進(jìn)行表面蝕刻和改性。電解液為酸性或堿性，電解液為酸性時(shí)，由硝酸、硫酸或磷酸中的一種或多種混合得到，當(dāng)電解液為堿性時(shí)，由氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液中的一種或多種混合得到。本發(fā)明通過(guò)控制電流和電壓來(lái)精確控制蝕刻過(guò)程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理，操作簡(jiǎn)單且條件溫和。

16、本發(fā)明提供的技術(shù)方案之二：

17、一種碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，通過(guò)上述制備方法制備得到。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

19、本發(fā)明將回收的碳纖維進(jìn)行化學(xué)刻蝕后，加入到鈦基復(fù)合材料中，可以為原位合成tic陶瓷增強(qiáng)相提供碳源，回收碳源表面存在的缺陷有利于固固反應(yīng)的發(fā)生，制備得到的鈦基復(fù)合材料比純鈦的抗拉強(qiáng)度高且延展性好。

20、本發(fā)明通過(guò)碳纖維電化學(xué)刻蝕表面處理技術(shù)，在碳纖維表面形成微結(jié)構(gòu)，以增加其表面粗糙度和活性官能團(tuán)，從而提高碳纖維與基體的結(jié)合力，可顯著改善復(fù)合材料的界面性能?；厥仗荚幢砻嫒毕莞尤菀咨稍鰪?qiáng)相碳化鈦。通過(guò)本發(fā)明制備的鈦基復(fù)合材料可以綜合提升材料的力學(xué)性能及延展性，在節(jié)能減耗的同時(shí)也為回收碳纖維的高價(jià)值化利用提供一條有效途徑。

技術(shù)特征：

1.一種碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：將改性回收碳纖維和基體粉末充分混合，篩分，將篩下混合物通過(guò)冷壓成型得到生坯，將所述生坯在惰性氣體氣氛下進(jìn)行微波燒結(jié)，制備得到所述碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述改性回收碳纖維和基體粉末的質(zhì)量比為(0.1-10)∶(90-99.9)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述冷壓成型過(guò)程中冷壓壓力為400-700mpa，冷壓時(shí)間5min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述基體粉末選自純鈦微粉、預(yù)合金微粉或組成合金的單一元素微粉。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述微波燒結(jié)的功率為2000～3000w，溫度為1000～1200℃，時(shí)間為120min。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述改性回收碳纖維的制備方法為：以回收碳纖維為陽(yáng)極，以鉑為陰極，置于電解液中，通過(guò)電化學(xué)刻蝕制備得到；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述微波加熱法分為兩階段，第一階段：功率為600～800w，氣氛為空氣，加熱時(shí)間為20～30min，第二階段：功率為400～600w，氣氛為氬氣，加熱時(shí)間為40～50min。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述電解液為酸性或堿性。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述電化學(xué)刻蝕的工作電壓為5.5～6v，電流密度為45～60ma/cm2，時(shí)間為5～10min。

10.一種碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，其特征在于，通過(guò)權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及其制備方法，屬于鈦基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，將改性回收碳纖維和基體粉末充分混合，篩分，將篩下混合物通過(guò)冷壓成型得到生坯，將所述生坯在惰性氣體氣氛下進(jìn)行微波燒結(jié)，制備得到所述碳纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明通過(guò)碳纖維電化學(xué)刻蝕表面處理技術(shù)，在碳纖維表面形成微結(jié)構(gòu)，以增加其表面粗糙度和活性官能團(tuán)，從而提高碳纖維與基體的結(jié)合力，可顯著改善復(fù)合材料的界面性能?；厥仗荚幢砻嫒毕莞尤菀咨稍鰪?qiáng)相碳化鈦。通過(guò)本發(fā)明制備的鈦基復(fù)合材料可以綜合提升材料的力學(xué)性能及延展性，在節(jié)能減耗的同時(shí)也為回收碳纖維的高價(jià)值化利用提供一條有效途徑。

技術(shù)研發(fā)人員：郭勝惠,徐政,陳楷華,楊黎,侯明,葉小磊,趙國(guó)振,朱小寶
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2