一種復(fù)合材料的制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制，最基本的力學(xué)考慮是從樸素的概念“混合準(zhǔn)則方程”中得出的，我們假定一組排成行的、直的連續(xù)纖維埋在基體中形成復(fù)合材料，組成理想的幾何排列，通常是正六邊形或正方形，并且認(rèn)為與基體結(jié)合良好。
[0003]界面被認(rèn)為是影響復(fù)合材料特別是力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，界面層使纖維與基體形成一個(gè)整體，并通過它傳遞應(yīng)力。金屬基纖維復(fù)合材料的界面通常有以下幾種類型:
[0004]一類界面，纖維與基體互不反應(yīng)也互不溶解，如銅/鎢絲、銅/碳纖維、銅/氧化鋁纖維、鋁/碳化硅纖維。這類界面是平整的，厚度僅為分子層的厚度，除原組成成分外，界面上基本不含其他物質(zhì)。
[0005]二類界面，纖維與基體不反應(yīng)但相互溶解，如銅/鍍鉻的鎢絲，鎳/碳纖維，鎳/鎢絲，這類界面是由原組成成分構(gòu)成的犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散型界面。
[0006]三類界面，纖維與基體互相反應(yīng)形成界面反應(yīng)層，如鈦/氧化鋁纖維，鈦/硼纖維，鋁/碳化硅纖維，鋁/碳纖維，這類界面含有亞微米級(jí)左右的界面反應(yīng)物質(zhì)(界面反應(yīng)層)。
[0007]纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合可以分成以下幾種形式:
[0008]物理結(jié)合
[0009]物理結(jié)合是指借助材料表面的粗糙狀態(tài)而產(chǎn)生的機(jī)械咬合，以及借助基體的收縮應(yīng)力來包緊纖維使產(chǎn)生的摩擦結(jié)合，這種結(jié)合與化學(xué)作用無關(guān)。純屬物理作用，結(jié)合強(qiáng)度的大小與纖維表面的粗糙程度有很大關(guān)系。例如，用經(jīng)過表面刻蝕處理制成的纖維復(fù)合材料，其強(qiáng)度比具有光滑表面的纖維復(fù)合材料約高203倍，但這種結(jié)合只有當(dāng)載荷應(yīng)力平行于界面時(shí)才能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的作用，麗當(dāng)應(yīng)力垂直于界面時(shí)承載能力很小。
[0010]溶解與浸潤(rùn)結(jié)合
[0011]纖維與基體的相互作用力是極短程的，只有若干原子間距，由于纖維表面常存在氧化物膜，阻礙液態(tài)金屬的浸潤(rùn)，這時(shí)就需要對(duì)纖維表面進(jìn)行處理。如利用超聲波法通過機(jī)械摩擦力破壞氧化物膜，使纖維與基體的接觸角小于90度，發(fā)生浸潤(rùn)或局部互溶以提高界面結(jié)合力。
[0012]反應(yīng)結(jié)合
[0013]其特征是在纖維與基體之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層，界面反應(yīng)層往往不是單一化合物，如硼纖維增強(qiáng)鈦鋁合金，在界面反應(yīng)層內(nèi)有多種反應(yīng)產(chǎn)物。一般情況下，隨反應(yīng)程度增加，界面結(jié)合強(qiáng)度亦增大。但由于界面反應(yīng)產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，所以當(dāng)界面層到一定厚度時(shí)，界面上的殘余應(yīng)力可以使界面破壞，反而降低界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0014]纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制造工藝
[0015]粉末冶金法
[0016]粉末冶金法是在排列的長(zhǎng)纖維上先撒上一層金屬粉末，將纖維與金屬粉末相互交替重疊后冷壓，然后燒結(jié):后將長(zhǎng)纖維剪短與金屬粉末混合后，再冷壓燒結(jié)制得復(fù)合材料，在金屬粉末中可如入一些合金元素改善復(fù)合材料性能。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是制造溫度低，適用多種基體與纖維(特別是短碳纖維)的結(jié)合，缺點(diǎn)是纖維損傷大，分布不均，含量不高。
[0017]擴(kuò)散粘接法
[0018]該法將增強(qiáng)劑經(jīng)表面處理后先浸漬金屬制成先驅(qū)絲，再與金屬箔(和粉末)疊層在真空條件(或保護(hù)氣氛)和略低于金屬熔點(diǎn)的溫度下熱壓擴(kuò)散粘接成型。這種方法對(duì)纖維損傷較小，制得的復(fù)合材料密度較高，但生產(chǎn)效率低，設(shè)備要求高。
[0019]擠壓乳制法
[0020]利用擠壓或乳制法將纖維與層狀基體結(jié)合，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是界面反應(yīng)小，取向規(guī)律，缺點(diǎn)是容易損傷纖維，對(duì)基體也有限制。
[0021]擠壓鑄造法
[0022]這種方法是制造金屬基復(fù)合材料較理想的途徑，此工藝先將增強(qiáng)劑制成預(yù)成型體，放入固定模型內(nèi)預(yù)熱至一定溫度，澆入金屬熔體，將陽(yáng)模壓下并加壓，迅速冷卻后脫模即得構(gòu)件。由于高壓改善了金屬熔體的浸潤(rùn)性.同時(shí)也消除了氣孔等缺陷，因此復(fù)合材料質(zhì)量較好，可以一次成型。
[0023]真空一氣壓澆鑄法
[0024]該法是將增強(qiáng)劑制成預(yù)成型體放入模腔后，加熱并抽真空，然后用氣壓將金屬熔體壓入模腔，迅速冷卻后脫模。這種方法與擠壓鑄造法一樣可得到致密的構(gòu)件，同時(shí)由于先抽真空再加較低壓力，故對(duì)纖維損傷較小，其力學(xué)性能比擠壓法好。
[0025]碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中研究較多、應(yīng)用較廣的一種復(fù)合材料。由于他具有密度小，比強(qiáng)度、比模量高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，高溫強(qiáng)度和高溫下尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域特別是航天航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如用碳纖維一鋁基復(fù)合材料制造電纜、活塞、螺旋槳、葉片及火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)上的各種部件等。
[0026]碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料以其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、減磨和耐磨性能以及低的熱膨脹系數(shù)，越來越引起工業(yè)界的重視，例如利用其低的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)異的特點(diǎn)，可以制造可控硅元件、電子元件中的支撐電極和觸點(diǎn)材料，從而取代資源有限、價(jià)格昂貴的金、銀、鉬、鎢等材料，制成電氣機(jī)車的導(dǎo)電滑履，電極電刷等可以大大延長(zhǎng)這些零部件的使用壽命，延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期，節(jié)約大量的維修費(fèi)用。碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料還可以用來制造集成電路散熱板。此外，用連續(xù)碳纖維或短碳纖維增強(qiáng)銅合金，還可以得到各種特殊性能的材料，如連續(xù)碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料既具有良好的高溫強(qiáng)度，又有良好的耐腐蝕性，有望發(fā)展為很有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。如美國(guó)研制的航空航天用途的石墨銅基復(fù)合材料，其工作溫度可達(dá)870度，不次于目前廣泛使用的鎳基高溫合金。因此研究和開發(fā)碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料是我國(guó)冶金和材料工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
[0027]碳纖維銅基增強(qiáng)復(fù)合材料的制備過程中.銅對(duì)碳纖維的潤(rùn)濕性很差，銅與碳纖維在固態(tài)和液態(tài)下相互溶解度都很小，而且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不形成碳化物。碳纖維在銅中擴(kuò)散系數(shù)幾乎為零.碳纖維與銅的界面是以機(jī)械結(jié)合為主的物理結(jié)合，界面既無擴(kuò)散也無化學(xué)反應(yīng)。這種界面結(jié)合較弱，其橫向剪切強(qiáng)度僅為30MPa，限制了材料強(qiáng)度的提高，較好的解決方法是對(duì)碳纖維表面進(jìn)行鍍銅處理，常用的是化學(xué)鍍和電鍍。在碳纖維上鍍一層均勻致密的銅層。有文獻(xiàn)報(bào)道可以使用雙層鍍的方法，先鍍一層銅，再鍍一層鎳或鈦，通過銅層擴(kuò)散至碳纖維表面發(fā)生反應(yīng)，從而提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度。鍍銅時(shí)析出的銅原子極易在碳纖維表面聚集，而且首先在碳纖維的溝槽內(nèi)沉積，因此碳纖維表面粗糙度在很大程度上影響了碳纖維銅基復(fù)合材料的緊密結(jié)合。解決辦法是對(duì)碳纖維進(jìn)行表面氧化處理，如硝酸氧化法?？諝庋趸?，以官能團(tuán)的形式固定了大量的氧，并使碳纖維表面顯著起坑，增加了表藹粗糙度。目前的鍍銅短碳纖維一般采用電鍍長(zhǎng)纖維然后機(jī)械切斷的方法，這樣做的生產(chǎn)效率很高，成本較低，但由于切斷后纖維的端面上沒有銅層包覆，給基體和纖維的結(jié)合造成了影響。目前許多單位都在探討如何用化學(xué)鍍的方法直接在短纖維上鍍。其可行性已基本被證實(shí)，目前研究的重點(diǎn)在于尋找一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的可用于大批量生產(chǎn)的最佳工藝。
[0028]制造碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，粉末冶金方法用的較多，用粉末冶金工藝生產(chǎn)銅基復(fù)合材料具有增強(qiáng)纖維分布均勻、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、生產(chǎn)工藝可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，這是其它方法無法相比的。因此，用粉末冶金法生產(chǎn)銅基復(fù)合材料，具有十分重要的意義和很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]本發(fā)明的目的在于提出一種復(fù)合材料的制備工藝。
[0030]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0031]—種復(fù)合材料的制備工藝，該工藝為碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，對(duì)碳纖維進(jìn)行除膠處理后，在碳纖維表面鍍銅，提高鍍層與碳纖維的結(jié)合強(qiáng)度，包括:碳纖維加熱除膠一一堿性除油一一清洗一一裝卡一一一次鍍銅一一二次鍍銅一一清洗一一鈍化一一卸卡一一制備完成。碳纖維除膠的加熱溫度為300--400度，加熱時(shí)間5--lOmin，喊性除油為
10 %的NaOH溶液，溫度為40——50度。鍍銅包括硫酸銅30——40g/L，硝酸鉀60——80g/L，溶液的溫度為45——55度，PH為9.0——9.5，每次電鍍時(shí)間為60——80s，電流為0.4——0.6A0
【具體實(shí)施方式】
[0032]實(shí)施例1
[0033]—種復(fù)合材料的制備工藝，該工藝為碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，對(duì)碳纖維進(jìn)行除膠處理后，在碳纖維表面鍍銅，提高鍍層與碳纖維的結(jié)合強(qiáng)度，包括:碳纖維加熱除膠一一堿性除油一一清洗一一裝卡一一一次鍍銅一一二次鍍銅一一清洗一一鈍化一一卸卡一一制備完成。碳纖維為聚丙烯氰基碳纖維，碳纖維除膠的加熱溫度為300度，加熱時(shí)間lOmin，堿性除油為10%的NaOH溶液，溫度為50度。鍍銅包括硫酸銅40g/L，硝酸鉀80g/L，溶液的溫度為55度，PH為9.5，每次電鍍時(shí)間為80s，電流為0.6A。
[0034]實(shí)施例2
[0035]—種復(fù)合材料的制備工藝，該工藝為碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，對(duì)碳纖維進(jìn)行除膠處理后，在碳纖維表面鍍銅，提高鍍層與碳纖維的結(jié)合強(qiáng)度，包括:碳纖維加熱除膠一一堿性除油一一清洗一一裝卡一一一次鍍銅一一二次鍍銅一一清洗一一鈍化一一卸卡一一制備完成。碳纖維為PAN短碳纖維，碳纖維除膠的加熱溫度為400度，加熱時(shí)間15min，堿性除油為10%的NaOH溶液，溫度為45度。鍍銅包括硫酸銅50g/L，檸檬酸鉀60g/L，溶液的溫度為55度，PH為9.0，每次電鍍時(shí)間為70s，電流為0.4A。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種復(fù)合材料的制備工藝，該工藝為碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其特征在于對(duì)碳纖維進(jìn)行除膠處理后，在碳纖維表面鍍銅，提高鍍層與碳纖維的結(jié)合強(qiáng)度，包括:碳纖維加熱除膠一一堿性除油一一清洗一一裝卡一一一次鍍銅一一二次鍍銅一一清洗一一鈍化一一卸卡--制備完成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳纖維除膠的加熱溫度為300—一400度，加熱時(shí)間5——lOmin，堿性除油為10%的NaOH溶液，溫度為40——50度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鍍銅包括硫酸銅30—一40g/L，硝酸鉀60——80g/L，溶液的溫度為45——55度，PH為9.0——9.5，每次電鍍時(shí)間為60——80s，電流為 0.4--0.6A。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合材料的制備工藝，該工藝為碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，對(duì)碳纖維進(jìn)行除膠處理后，在碳纖維表面鍍銅，提高鍍層與碳纖維的結(jié)合強(qiáng)度，包括：碳纖維加熱除膠——堿性除油——清洗——裝卡——一次鍍銅——二次鍍銅——清洗——鈍化——卸卡——制備完成。碳纖維除膠的加熱溫度為300——400度，加熱時(shí)間5——10min，堿性除油為10％的NaOH溶液，溫度為40——50度。鍍銅包括硫酸銅30——40g/L，硝酸鉀60——80g/L，溶液的溫度為45——55度，PH為9.0——9.5，每次電鍍時(shí)間為60——80s，電流為0.4——0.6A。該工藝碳纖維表面的電鍍層厚度均勻，并且不破壞碳纖維的力學(xué)性能，大幅度提高碳纖維的導(dǎo)電性，工藝流程簡(jiǎn)操作方便，適合于批量生產(chǎn)。
【IPC分類】C25D5/10
【公開號(hào)】CN105256349
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510716581
【發(fā)明人】沈秋
【申請(qǐng)人】無錫橋陽(yáng)機(jī)械制造有限公司
【公開日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年10月29日