本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維及其制備方法，以及采用該纖維增強(qiáng)的鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁。
背景技術(shù)：
鋁材第一代是純鋁（1825年，丹麥奧斯特），第二代是合金鋁（1903年，美國(guó)鋁業(yè)公司），鋁材第三代是陶瓷嵌合鋁（1950s），第四代是非晶無(wú)機(jī)材料增強(qiáng)復(fù)合鋁（2007，南京天淦新材料科技有限公司）。
復(fù)合鋁比鋼更輕、更強(qiáng)、更多、更耐磨、更防腐，可以用來(lái)替代鋼材，減少機(jī)動(dòng)車船的能耗。在用于替代汽車/輪船的鋼鐵外殼時(shí)，復(fù)合鋁延展性能應(yīng)盡量和鋼材靠近。
由于復(fù)合鋁增強(qiáng)材料，是一種高剛性的非晶無(wú)機(jī)材料。采用熔噴成形獲得的基質(zhì)材料為7050的航空復(fù)合鋁，為了確保斷裂延伸率落入4-5.5%的范圍，其增強(qiáng)材料的添加量?jī)H為3%左右。
因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)，在提高復(fù)合鋁增強(qiáng)材料添加量的同時(shí)，使得復(fù)合鋁仍保有較高斷裂延伸率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維及制備方法，并采用該纖維和高斷裂延伸率的鋁鈣超塑合金復(fù)合。旨在提高復(fù)合界面親和力（即拉伸強(qiáng)度）的同時(shí)，還確保復(fù)合鋁有著較高的斷裂延伸率。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，其中，按重量百分比計(jì)，由89%-98%的火成巖、1-10%的氧化鈣和1%的碳粉組成。
所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，其中，按重量百分比計(jì)，由90%-95%的火成巖、4-9%的氧化鈣和1%的碳粉組成。
所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，其中，按重量百分比計(jì)，由90.1%的火成巖、8.9%的氧化鈣和1%的碳粉組成。
所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，其中，按重量百分比計(jì)，由94.3%的火成巖、4.7%的氧化鈣和1%的碳粉組成。
所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，其中，按重量百分比計(jì)，由93.74%的火成巖、5.26%的氧化鈣和1%的碳粉組成。
所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，其中，以火成巖為基準(zhǔn)，所述火成巖所含氧化鐵、氧化亞鐵的總重量<3%，所述火成巖所含氧化硅、氧化鋁的總重量>68%。
一種如上任一所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維的制備方法，其中，包括步驟：
首先按照上述配方將火成巖、氧化鈣和碳粉混合均勻，并將混合均勻的所述火成巖、氧化鈣和碳粉進(jìn)行熔煉，得到熔體；
然后將熔體進(jìn)行拉絲，得到非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。
所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維的制備方法，其中，具體包括步驟：
首先按照上述配方將火成巖、氧化鈣和碳粉混合均勻，并將混合均勻的所述火成巖、氧化鈣和碳粉放入底插電極全電熔爐進(jìn)行熔煉，得到熔體；
然后將溶體通過(guò)拉絲漏板進(jìn)行拉絲，得到非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。
一種鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁，其中，由如上任一所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維和鋁鈣超塑鋁合金混合而成。
所述的鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁，其中，所述鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁的制備方法包括步驟：將短切好的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維放入鋁鈣超塑鋁合金溶液中，然后降溫，再攪拌勻化，最后升溫澆鑄，得到鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁；其中，所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維與鋁鈣超塑鋁合金溶液的重量比為3:97。
有益效果：本發(fā)明在天然高硅鋁火成巖礦石基礎(chǔ)上，通過(guò)引入氧化鈣組分，生成一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維與鋁鈣超塑鋁合金復(fù)合，增強(qiáng)材料中的硅、鋁、鈣組分，會(huì)和金屬溶體發(fā)生分子融合，從而增強(qiáng)復(fù)合界面的結(jié)合牢度，即增強(qiáng)鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁的力學(xué)強(qiáng)度。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維及制備方法與鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明提供一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，其中，按重量百分比計(jì)，由89%-98%的火成巖、1-10%的氧化鈣和1%的碳粉組成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要改進(jìn)之處在于，在天然高硅鋁火成巖礦石基礎(chǔ)上，引入氧化鈣組分，生成一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。生成的所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維與鋁鈣超塑鋁合金復(fù)合時(shí)，復(fù)合界面的基質(zhì)和纖維對(duì)應(yīng)元素會(huì)產(chǎn)生分子融合，從而增加界面的復(fù)合活性和結(jié)合牢度；其次，增強(qiáng)纖維引入氧化鈣組分，能夠有效地提高纖維強(qiáng)度。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)至4000-6000mpa，而現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)碳纖維穩(wěn)定的抗拉強(qiáng)度僅為3500mpa。
優(yōu)選地，所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，其中，按重量百分比計(jì)，由90%-95%的火成巖、4-9%的氧化鈣和1%的碳粉組成。在該配方下，非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維與鋁鈣超塑鋁合金的復(fù)合界面相融性更佳，從而進(jìn)一步增強(qiáng)鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁的力學(xué)強(qiáng)度。
本發(fā)明中，以火成巖為基準(zhǔn)，所述火成巖所含氧化鐵、氧化亞鐵的總重量<3%，所述火成巖所含氧化硅、氧化鋁的總重量>68%。選擇該火成巖，符合生產(chǎn)低鐵非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維材料的充分條件。
優(yōu)選地，所述氧化鈣可以來(lái)源于方解石、石灰石、白堊或碳酸鈣沉淀。換句話說(shuō)，本發(fā)明可通過(guò)添加方解石、石灰石、白堊或碳酸鈣礦石，引入所述氧化鈣。
本發(fā)明還提供一種如上任一所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維的制備方法，其中，包括步驟：
首先按照上述配方將火成巖、氧化鈣和碳粉混合均勻，并將混合均勻的所述火成巖、氧化鈣和碳粉進(jìn)行熔煉，得到熔體；
然后將熔體進(jìn)行拉絲，得到非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。
優(yōu)選地，所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維的制備方法，具體包括步驟：
首先按照上述配方將火成巖、氧化鈣和碳粉混合均勻，并將混合均勻的所述火成巖、氧化鈣和碳粉放入底插電極全電熔爐進(jìn)行熔煉，得到熔體；
然后將溶體通過(guò)拉絲漏板進(jìn)行拉絲，得到非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。
優(yōu)選地，本發(fā)明所述熔煉的溫度為1600~1800℃，更優(yōu)選溫度為1700℃。
本發(fā)明制備得到的所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維的纖維長(zhǎng)度為5~9毫米。
本發(fā)明還提供一種鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁，其中，由如上任一所述的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維和鋁鈣超塑鋁合金混合而成。將所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維和鋁鈣超塑鋁合金復(fù)合，可以獲得界面融合性能優(yōu)異的高強(qiáng)度的鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁。經(jīng)測(cè)試表明，本發(fā)明所述鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁的室溫環(huán)境斷裂伸長(zhǎng)率為5-8%，拉伸強(qiáng)度約240-300mpa；而未添加增強(qiáng)材料的推薦產(chǎn)品鋁-5%鈣-4.5%鋅，其室溫條件下強(qiáng)度平均值僅180mpa。
本發(fā)明所述鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁的制備方法包括步驟：將短切好的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維放入鋁鈣超塑鋁合金溶液中（混合液中溫度約700℃），然后降溫（降低約5~50℃）以增加粘度，再用300~30000轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌器攪拌勻化，攪拌時(shí)長(zhǎng)為3~10分鐘；最后升溫（升溫至初始溫度，即700℃）澆鑄，得到鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁。
以鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁為基準(zhǔn)，所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維的重量占比為1%~30%，如3%，即所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維與鋁鈣超塑鋁合金溶液的重量比為3:97。
本發(fā)明所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維與鋁鈣超塑鋁合金復(fù)合之前，包括步驟：對(duì)所述非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維進(jìn)行短切處理。具體為，將纖維長(zhǎng)度為5~9毫米的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維通過(guò)短切機(jī)剪切成纖維長(zhǎng)度為1~3毫米的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。這是因?yàn)樵谠摾w維長(zhǎng)度范圍內(nèi)，非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維能夠更好地通過(guò)高壓噴粉機(jī)，射入鋁鈣超塑鋁合金溶體。
本發(fā)明選用高延展性的超塑鋁合金作為基質(zhì)，在確保延展性的前提下，通過(guò)添加更多的增強(qiáng)纖維，從而提高了鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁的強(qiáng)度。
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1
一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，按重量百分比計(jì)由90.1%的火成巖，8.9%的氧化鈣，1%的碳粉組成，所述火成巖所含氧化鐵及氧化亞鐵的總重量2.87%，且火成巖所含氧化硅63.93%、氧化鋁17.51%和氧化鎂1.32%，符合生產(chǎn)低鐵非晶增強(qiáng)材料的充分條件。
輔料8.9%的氧化鈣加火成巖中1.74%的氧化鈣，合計(jì)氧化鈣含量10.64%；由ca和cao分子量之比=40:56，換算得知非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維中鈣含量為7.6%。研究表明，al-7.6%ca的鋁鈣超塑合金是最優(yōu)配比，其最大伸長(zhǎng)率為850%。
火成巖石子源自河北，其重量百分比在1%以上的組分如下:氧化硅63.93%，氧化鋁17.51%，氧化鎂1.32%，氧化鉀4.80%，氧化鈣1.74%，氧化鈉6.04%，氧化鐵/氧化亞鐵2.87%。
實(shí)施例2
鋁鈣系合金的子系列，鋁鈣鋅合金由于可焊接、可表面處理、耐腐蝕性能優(yōu)越，是用戶的優(yōu)先選擇。研究表明含鈣4.6%-5%、含鋅4.6%-5%的鋁鈣鋅合金冷加工變形性能最佳。
一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，按重量百分比計(jì)由94.3%的火成巖，4.7%的氧化鈣（加上火成巖中1.74%的氧化鈣，換算得知非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維中鈣含量為4.6%），1%的碳粉組成，所述火成巖所含氧化鐵及氧化亞鐵的總重量2.87%，且火成巖所含氧化硅63.93%、氧化鋁17.51%和氧化鎂1.32%，符合生產(chǎn)低鐵非晶增強(qiáng)材料的充分條件。
火成巖石子源自河北，其重量百分比計(jì)在1%以上的組分如下:氧化硅63.93%，氧化鋁17.51%,氧化鎂1.32%，氧化鉀4.80%，氧化鈣1.74%，氧化鈉6.04%，氧化鐵/氧化亞鐵2.87%。
實(shí)施例3
一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，按重量百分比計(jì)由93.74%的火成巖，5.26%的氧化鈣（加上火成巖中1.74%的氧化鈣，換算得知非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維中鈣含量為5%），1%的碳粉組成，所述火成巖所含氧化鐵及氧化亞鐵的總重量2.87%，且火成巖所含氧化硅63.93%、氧化鋁17.51%和氧化鎂1.32%，符合生產(chǎn)低鐵非晶增強(qiáng)材料的充分條件。
火成巖石子源自河北，其重量百分比計(jì)在1%以上的組分如下:氧化硅63.93%,氧化鋁17.51%,氧化鎂1.32%，氧化鉀4.80%，氧化鈣1.74%，氧化鈉6.04%，氧化鐵/亞鐵2.87%。
實(shí)施例4
將實(shí)施例1、2、3重量百分比的混合均勻的所述火成巖、氧化鈣和碳粉分別用底插電極全電熔爐在1700℃的溫度下進(jìn)行熔煉，得到的熔體通過(guò)拉絲漏板進(jìn)行拉絲，生產(chǎn)出纖維長(zhǎng)度為5~9毫米，抗拉強(qiáng)度于4000-6000mpa范圍內(nèi)的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維，再切割成1~3毫米的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。將1~3毫米的非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維通過(guò)高壓噴霧器均勻噴射入鋁液中，然后降溫增粘，再用2000轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌器攪拌6分鐘至勻化。最后升溫至初始溫度，澆鑄成復(fù)合鋁，其室溫環(huán)境斷裂伸長(zhǎng)率平均值為7%，拉伸強(qiáng)度平均值為280mpa，其中非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維和鋁鈣超塑鋁合金的重量比例為3:97。
綜上所述，本發(fā)明提供的一種非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維及制備方法與鋁鈣超塑合金基復(fù)合鋁，本發(fā)明火成巖、氧化鈣和碳粉的混合料采用底插電極全電熔爐熔煉，然后熔體通過(guò)拉絲漏板獲得非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維。該非晶高硅鋁鈣增強(qiáng)纖維短切后和鋁鈣系超塑鋁合金復(fù)合，從而獲得界面融合性能優(yōu)異的高強(qiáng)復(fù)合鋁。
應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。