專利名稱：：一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明提供一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料及其制造方法，尤其是指本發(fā)明所提供的是一種具有極高強(qiáng)度的金屬基碳纖維復(fù)合材料及其制造方法。
背景技術(shù)：
：使用傳統(tǒng)鑄造法制作金屬基復(fù)合材料時(shí)，為了便于將其浸漬在熔融金屬中，一般會(huì)采用事先將纖維或粒子等增強(qiáng)材料制作成預(yù)成型體的技術(shù)方法。另外，當(dāng)強(qiáng)化纖維與燒結(jié)金屬是浸潤(rùn)性較差的組合時(shí)(在強(qiáng)化纖維里選用碳、在燒結(jié)金屬里選用鋁時(shí))，一般會(huì)采用在預(yù)成型體中注入熔融金屬后加壓復(fù)合的技術(shù)方法，即所謂熔融金屬鍛造法。大家都知道，這種熔融金屬鍛造法可以在短時(shí)間內(nèi)使熔融金屬迅速得以凝固，且合金組織精細(xì)，可以制作無(wú)鑄造槽的鑄造物，比較適合于批量生產(chǎn)。在用于預(yù)成型體制造的碳纖維結(jié)構(gòu)體上選用一種低結(jié)晶度物質(zhì)，通過(guò)在碳纖維結(jié)構(gòu)體表面附近設(shè)置與燒結(jié)金屬的反應(yīng)相，找出能夠達(dá)成上述目的的條件和方法，最終得以完成本發(fā)明。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是為了進(jìn)一步提高金屬基碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械、導(dǎo)熱及熱膨脹等性能，而提供一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料及其制造方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明給出的金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料是對(duì)金屬和碳纖維進(jìn)行燒結(jié)而得到的金屬基碳纖維復(fù)合材料，其特點(diǎn)是，此處的碳纖維為三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體，以復(fù)合材料的總重量為基準(zhǔn)，三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體的重量百分比為40_60%，燒結(jié)金屬的重量百分比為60-40%。在上述金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料中，所述三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體由多層碳納米管構(gòu)成，這些碳納米管的粒狀部在碳纖維生長(zhǎng)過(guò)程中形成，以多條延伸出來(lái)的方式相互連接成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。所述多層碳納米管的管長(zhǎng)橫斷面最大直徑為15100nm。在上述金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料中，所述三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體的面積基準(zhǔn)圓等效平均直徑為50100pm，容積密度為0.00010.05g/cm3。在上述金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料中，所述燒結(jié)金屬作為主要的合金元素，是一種至少含有一種選自硅、鎂、銅以及鎳等組合中的鋁合金。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，還給出了一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料的制造方法，其步驟如下(1)將在生長(zhǎng)過(guò)程中形成的粒狀部以多條延伸出來(lái)的方式相互連接的多層碳納米管構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體、粘結(jié)劑以及分散劑按照體積比20-80%:10-30%:100%進(jìn)行混合，攪拌2-30分鐘，從而形成懸浮液；(2)在50-12(TC干燥該懸浮液1-6小時(shí)，從而形成混合物；(3)將該混合物壓縮成型，從而形成壓縮成型體；(4)在120-20(TC將該壓縮成型體做硬化處理10-60分鐘，從而形成硬化壓縮成型體；(5)將使用拉曼光譜分析法測(cè)定的ID/IG在0.21.2含碳纖維結(jié)構(gòu)體的硬化壓縮成型體在800150(TC的高溫下進(jìn)行燒結(jié)10-60分鐘，從而形成含有碳纖維結(jié)構(gòu)體的預(yù)成型體；(6)將熔化的燒結(jié)金屬浸漬在含有碳纖維結(jié)構(gòu)體的預(yù)成型體中，固化后形成金屬基碳纖維復(fù)合材料。所述的燒結(jié)金屬作為主要的合金元素，是一種至少含有一種選自硅、鎂、銅以及鎳等組合中的鋁合金。所述的多層碳納米管的管長(zhǎng)橫斷面最大直徑為15100nm。所述的碳纖維結(jié)構(gòu)體的面積基準(zhǔn)圓等效平均直徑為50100pm，容積密度為0.00010.05g/cm3。本發(fā)明的有益效果是，提高了金屬基碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能，導(dǎo)熱性能和熱膨脹性能，是機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)良的熱傳導(dǎo)材料。此外，本發(fā)明給出的金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料制造方法工藝簡(jiǎn)單，所制造產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。具體實(shí)施方式實(shí)施例一首先準(zhǔn)備碳纖維結(jié)構(gòu)體(多層碳納米管長(zhǎng)向軸橫斷面的平均直徑50nm、使用拉曼光譜分析法測(cè)定的ID/IG:0.85)和作為粘合劑的苯酚樹脂以及作為分散劑的甲醇。其次在甲醇中，對(duì)于要獲取的碳纖維結(jié)構(gòu)體預(yù)成型體的全部體積中，添加碳纖維結(jié)構(gòu)體30體積％、苯酚樹脂15體積％，然后攪拌約5分鐘，形成懸浮液。其次將所形成的懸浮液放入干燥爐中，在大氣中、通過(guò)7(TC的溫度進(jìn)行1個(gè)小時(shí)的干燥，形成混合物。其次，將所得到的混合物用內(nèi)徑為40mm的成型模，形成直徑40mm、厚6mm的壓縮成型體。其次是將所得的壓縮成形體放入干燥爐中，在大氣中，通過(guò)的15(TC高溫經(jīng)過(guò)10分鐘的熱處理，對(duì)苯酚樹脂進(jìn)行硬化處理形成硬化壓縮成形體。再將硬化壓縮成形體放入燒結(jié)爐里，在Ar(氬氣)中、通過(guò)900°C的高溫經(jīng)過(guò)20分鐘燒結(jié)形成碳纖維結(jié)構(gòu)體預(yù)成型體。將形成的碳纖維結(jié)構(gòu)體預(yù)成型體加熱(預(yù)熱溫度70(TC)后，用作為燒結(jié)金屬的Al金屬單體(用JIS-H4000規(guī)定的A1050P)通過(guò)熔融金屬鍛造(澆鑄溫度70075(TC、壓力80lOOMPa)形成本例中的金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料(鑄錠)。實(shí)施例二將使用拉曼光譜分析法測(cè)定的ID/IG為0.5以外的碳纖維結(jié)構(gòu)體，重復(fù)與實(shí)施例1同樣的操作，可形成本例中的金屬基碳纖維復(fù)合材料(鑄錠)。實(shí)施例三首先準(zhǔn)備拉曼光譜分析法測(cè)定的ID/IG為0.5以外的碳纖維結(jié)構(gòu)體和作為粘合劑的環(huán)氧樹脂以及作為分散劑的甲醇。其次在甲醇中，對(duì)于要獲取的碳纖維結(jié)構(gòu)體預(yù)成型體的全部體積中，添加碳纖維結(jié)構(gòu)體40體積％、環(huán)氧樹脂10體積％，然后攪拌約5分鐘，形成懸浮液。其次將所形成的懸浮液放入干燥爐中，在大氣中、通過(guò)8(TC的溫度進(jìn)行1個(gè)小時(shí)的干燥，形成混合物。其次，將所得到的混合物用內(nèi)徑為40mm的成型模，形成直徑40mm、厚6mm的壓縮成型體。其次是將所得的壓縮成形體放入干燥爐中，在大氣中、通過(guò)的16(TC高溫經(jīng)過(guò)30分鐘的熱處理，對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行硬化處理形成硬化壓縮成形體。再將硬化壓縮成形體放入燒結(jié)爐里，在N2中、通過(guò)IOO(TC的高溫經(jīng)過(guò)30分鐘燒結(jié)形成碳纖維結(jié)構(gòu)體預(yù)成型體。將形成的碳纖維結(jié)構(gòu)體預(yù)成型體加熱(預(yù)熱溫度70(TC)后，用作為燒結(jié)金屬的Al金屬單體(用JIS-H4000規(guī)定的A1050P)通過(guò)熔融金屬鍛造(澆鑄溫度700750°C、壓力80100Mpa)形成本例中的金屬基纖維復(fù)合材料(鑄錠)。從上述各實(shí)施例子中的鑄錠中切出實(shí)驗(yàn)片，進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置是Instron公司制造的數(shù)字靜態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)5867型；實(shí)驗(yàn)速度為0.lmm/min;實(shí)驗(yàn)溫度為室溫(23°C);實(shí)驗(yàn)片形狀為36X4X3(mm)。實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果記載在表1中。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表1中，"抗彎強(qiáng)度"是指用實(shí)驗(yàn)片截面積除以在抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的最大負(fù)荷值計(jì)算出的應(yīng)力值。"楊氏模量"是從抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果(應(yīng)力一應(yīng)變圖)中計(jì)算出來(lái)的。權(quán)利要求一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料，該金屬基碳纖維復(fù)合材料是對(duì)金屬和碳纖維進(jìn)行燒結(jié)而得到的金屬基碳纖維復(fù)合材料，其特征在于所述碳纖維為三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體，以上述復(fù)合材料的總重量為基準(zhǔn)，三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體的重量百分比為40-60％，燒結(jié)金屬的重量百分比為60-40％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料，其特征在于所述三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體由多層碳納米管構(gòu)成，這些碳納米管的粒狀部在碳纖維生長(zhǎng)過(guò)程中形成，以多條延伸出來(lái)的方式相互連接成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料，其特征在于多層碳納米管的管長(zhǎng)橫斷面最大直徑為15100nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料，其特征在于所述三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體的面積基準(zhǔn)圓等效平均直徑為50100pm，容積密度為0.00010.05g/cm3。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料，其特征在于所述燒結(jié)金屬作為主要的合金元素，是一種至少含有一種選自硅、鎂、銅以及鎳等組合中的鋁合金。6.—種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料制造方法，該方法包括以下步驟條件(1)將在生長(zhǎng)過(guò)程中形成的粒狀部以多條延伸出來(lái)的方式相互連接的多層碳納米管構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體、粘結(jié)劑以及分散劑按照體積比20-80%:10-30%:ioo%進(jìn)行混合，攪拌2-30分鐘，從而形成懸浮液；(2)在50-12(TC干燥該懸浮液1-6小時(shí)，從而形成混合物；(3)將該混合物壓縮成型，從而形成壓縮成型體；(4)在120-20(TC將該壓縮成型體做硬化處理10-60分鐘，從而形成硬化壓縮成型體；(5)將使用拉曼光譜分析法測(cè)定的ID/IG在0.21.2含碳纖維結(jié)構(gòu)體的硬化壓縮成型體在800150(TC的高溫下進(jìn)行燒結(jié)10-60分鐘，從而形成含有碳纖維結(jié)構(gòu)體的預(yù)成型體；(6)將熔化的燒結(jié)金屬浸漬在含有碳纖維結(jié)構(gòu)體的預(yù)成型體中，固化后形成金屬基碳纖維復(fù)合材料。全文摘要本發(fā)明涉及一種金屬基三維網(wǎng)狀碳纖維復(fù)合材料及其制造方法，該復(fù)合材料中碳纖維為三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體，該三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體是由多層碳納米管構(gòu)成，以復(fù)合材料總重量為基準(zhǔn)，三維網(wǎng)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體為40-60％，燒結(jié)金屬為60-40％。本發(fā)明給出的制造方法(1)將三維網(wǎng)絡(luò)狀碳纖維結(jié)構(gòu)體、粘結(jié)劑以及分散劑按比例混合并攪拌，形成懸浮液；(2)干燥該懸浮液形成混合物；(3)將該混合物壓縮成型；(4)對(duì)壓縮成型體做硬化處理；(5)高溫?zé)Y(jié)，形成含有碳纖維結(jié)構(gòu)體的預(yù)成型體；(6)將熔化的燒結(jié)金屬浸漬在含有碳纖維結(jié)構(gòu)體的預(yù)成型體中，固化即形成機(jī)械、導(dǎo)熱、熱膨脹性能均優(yōu)異的金屬基碳纖維復(fù)合材料。文檔編號(hào)C22C49/06GK101713056SQ20091024979公開(kāi)日2010年5月26日申請(qǐng)日期2009年12月8日優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日發(fā)明者耿世達(dá)申請(qǐng)人:耿世達(dá)