一種鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料是由鍍銅碳纖維與鋁鎂合金粉末混合燒結(jié)而成，鍍銅碳纖維體積分?jǐn)?shù)含量1?10%。本發(fā)明的制備方法主要包括碳纖維的鍍銅、球磨混料以及真空熱壓燒結(jié)。通過調(diào)控鍍銅碳纖維的體積分?jǐn)?shù)，能降低鋁鎂合金的密度，提升鋁鎂合金的強(qiáng)度、韌性并改善其各向異性，在力學(xué)性能接近的情況下，比普通鋁鎂合金密度減輕5%以上。本發(fā)明特別適用于要求材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、綜合性能良好的飛行器零部件。
【專利說明】一種鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到金屬基復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體的說是一種鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂 合金復(fù)合材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空航天、軌道交通、電子器件等領(lǐng)域產(chǎn)品對輕質(zhì)、高強(qiáng)度復(fù)合 材料的需求日益增加，復(fù)合材料的用量及其性能水平已成為飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志之 〇
[0003] 鋁鎂合金具有良好的強(qiáng)度、硬度、散熱性、抗壓性、抗蝕性及可焊性，廣泛應(yīng)用于航 空航天、電子電氣、軌道交通、建筑等領(lǐng)域，并在能源、日用品、文體用品等領(lǐng)域具有廣闊的 應(yīng)用前景。
[0004] 鎂的密度1.732g/cm3,是鋁合金中非常重要的添加元素。適量鎂元素添加到鋁 中能夠形成彌散相，可顯著提高合金強(qiáng)度、硬度以及耐磨性，同時(shí)又不會使其塑性過分降 低。研究表明向鋁中每增加 lwt%的鎂，可使強(qiáng)度提高約35MPa。鎂在鋁中極限溶解度為 14. 9wt%，當(dāng)鎂含量小于5wt%時(shí)，基本上都固溶在基體中。當(dāng)鎂含量較高時(shí)，鋁鎂合金中會 析出Al2O 3和Al5Mg8，這兩相與基體間的電位差較大，會使合金耐蝕性下降。因而，鋁鎂合金 中的鎂含量一般低于IOwt %，常用牌號低于Swt %。低鎂含量的鋁鎂合金具有優(yōu)良的成形 性能及抗腐蝕性，而高鎂含量的鋁鎂合金具有良好的鑄造性能及高強(qiáng)度。目前，在常用的鋁 鎂合金中，鎂的含量一般不超過6wt %。
[0005] 由于鋁鎂合金具有巨大的市場潛力，日益受到產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界的重視，但其成形 性能和強(qiáng)度性能相對較差。難以進(jìn)行復(fù)雜零件的成形以及獲得高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)零件，因此，其 成形性能和強(qiáng)度性能成為制造復(fù)雜、高強(qiáng)鋁鎂合金產(chǎn)品的一個主要制約因素。
[0006] 為進(jìn)一步減輕重量，采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的先進(jìn)復(fù)合材料是行之有效的方法也是當(dāng) 前國內(nèi)外飛機(jī)制造的主要趨勢。
[0007] 鑒于高含鎂量Al-Mg二元合金的綜合性能較差，通常需要在二元合金基礎(chǔ)上單獨(dú) 或者復(fù)合添加 Cu、Zr、Zn、Mn、Ag等合金元素，從而形成多種強(qiáng)化相，并改變強(qiáng)化相的數(shù)量和 分布，達(dá)到改善其性能的目的。通過在鋁鎂合金中添加微量合金元素并結(jié)合熱處理、熱加工 技術(shù)可以顯著提高鋁鎂合金的韌性、強(qiáng)度等性能。
[0008] 碳纖維是一種耐熱性、耐蝕性良好且密度較低，比強(qiáng)度較高的功能型纖維材料。碳 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅具有較低的密度、良好的強(qiáng)度和耐磨性，而且具有優(yōu)良的導(dǎo) 電、導(dǎo)熱性、抗疲勞性、電磁屏蔽性等特點(diǎn)，因而其廣泛應(yīng)用在汽車、軌道交通、航空航天等 領(lǐng)域。但是研究發(fā)現(xiàn)碳纖維與鋁鎂合金基體的界面浸潤性差，因此，現(xiàn)有技術(shù)中并沒有用碳 纖維來增強(qiáng)鋁鎂合金基體強(qiáng)度的先例。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為解決碳纖維與鋁鎂合金基體的界面浸潤性差的問題，本發(fā)明提供了一種鍍銅碳 纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料及其制備方法，提高了碳纖維與鋁合金基體界面浸潤性，并抑 制了二者之間的界面反應(yīng)，從而使得可以使用碳纖維來增強(qiáng)鋁鎂合金，以降低合金的密度， 改善合金的韌性及各向異性，提高鋁鎂合金的強(qiáng)度，拓展鋁鎂合金的應(yīng)用空間。
[0010] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù) 合材料，由粒徑為10-15微米的鋁鎂合金粉及其體積分?jǐn)?shù)為1?10%的鍍銅碳纖維制成，其 中，按照重量百分比，鋁鎂合金粉的組成成分為10?40%的Mg、0. 2?0. 5%的Cu、0. 1? 0· 4% 的 Μη、0· 5 ?0· 8% 的 Si、0· 1 ?0· 3% 的 Cr、0· 1 ?0· 5% 的 Ζη、0· 1-0. 5% 的 Ti 和 Al 及不可避免的雜質(zhì)； 所述鍍銅碳纖維為直徑10 μ m的碳纖維浸入鍍液中通過化學(xué)鍍的方式得到。
[0011] 所述鍍液的PH值為12-13,溫度為40-50°C，鍍液中含有的成分如下：14-16g/L的 硫酸銅、18-22g/L的酒石酸鉀鈉、23-27g/L的EDTA、15-17g/L的氫氧化鈉、14-16ml/L的甲 醛、5-7mg/L的二聯(lián)吡啶和18-22mg/L的亞鐵氰化鉀。
[0012] 上述鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟： 1) 碳纖維鍍銅 配制pH值為12-13的鍍液 分別稱取硫酸銅、酒石酸鉀鈉、EDTA、氫氧化鈉、甲醛、二聯(lián)吡啶和亞鐵氰化鉀溶于水中 配制成鍍液，鍍液中各成分的含量分別為：硫酸銅14_16g/L、酒石酸鉀鈉18-22g/L、EDTA 23-27g/L、氫氧化鈉15-17g/L、甲醛14-16ml/L、二聯(lián)吡啶5-7mg/L和亞鐵氰化鉀18-22mg/ L，并限定鍍液的溫度為40-50°C ; 將碳纖維置于配制好的鍍液中并保持?jǐn)嚢璧臓顟B(tài)下進(jìn)行化學(xué)鍍直至碳纖維的表面附 著有多晶銅鍛層； 2) 混料 將步驟1)中表面已鍍銅的碳纖維按照體積分?jǐn)?shù)1-10%的比例加入到鋁鎂合金粉末中， 然后采用行星式球磨機(jī)混料直至觀察不到團(tuán)聚為止，得到原料粉備用； 其中，所述鋁鎂合金粉的組成成分為10?40%的Mg、0. 2?0. 5%的Cu、0. 1?0. 4%的 Μη、0· 5 ?0· 8% 的 Si、0· 1 ?0· 3% 的 Cr、0· 1 ?0· 5% 的 Ζη、0· 1-0. 5% 的 Ti,其余為 Al 及 不可避免的雜質(zhì)； 3) 燒制合金 將步驟2)中得到的原料粉在真空度為0. 001-0. 005Pa、壓力為30-100MPa的條件下燒 結(jié)，燒結(jié)時(shí)，以每分鐘30-80°C的升溫速率將溫度升至440-480°C并保持該溫度5-30min完 成燒結(jié)，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫即得到產(chǎn)品。
[0013] 所述化學(xué)鍍時(shí)，按照每升鍍液對應(yīng)2. 5-3. 5g碳纖維的比例分配鍍液和碳纖維的 量。
[0014] 有益效果：本發(fā)明通過在碳纖維的表面鍍上一層多晶銅鍍層，從而改善了碳纖維 與鋁鎂合金的界面浸潤性，同時(shí)也抑制了二者之間的界面反應(yīng)，進(jìn)而使得碳纖維可以被用 來增強(qiáng)鋁鎂合金，降低了合金的密度，改善了合金的韌性及各向異性，提高了鋁鎂合金的 強(qiáng)度，拓展了鋁鎂合金的應(yīng)用空間。經(jīng)檢測，本發(fā)明的產(chǎn)品綜合性能良好：密度在2. 45? 2. 65g/cm3,抗拉強(qiáng)度在480?530MPa之間，硬度在85?110HV之間，在飛行器某些部件上 具有良好的應(yīng)用前景。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。
[0016] 實(shí)施例1 本實(shí)施例中所用鋁鎂合金粉末的組成成分及重量百分比為：1〇%的Mg、0. 5%的Cu、0. 4% 的Μη、0. 8%的Si、0. 3%的Cr、0. 5%的Ζη、0. 5%的Ti,鍍銅碳纖維體積含量1%，其余為Al 及不可避免的雜質(zhì)。
[0017] 具體制備方法如下： (1) 將碳纖維放入到鍍液中，在電動攪拌方式下進(jìn)行化學(xué)鍍。鍍液成分為：硫酸銅Hg/ L，酒石酸鉀鈉18g/L，EDTA 23g/L，氫氧化鈉15g/L，甲醛14ml/L，二聯(lián)吡啶5mg/L，亞鐵氰化 鉀18mg/L，溫度為40°C，pH值為12,每升鍍液對應(yīng)碳纖維3. 5g。化學(xué)鍍結(jié)束后，鍍銅層結(jié) 晶良好，是由不同取向Cu晶粒組成的多晶Cu鍛層，厚度約為1 μ m ; (2) 將步驟（1)處理好的鍍銅碳纖維按1%體積分?jǐn)?shù)加入到鋁鎂合金粉末中，采用行星 式球磨機(jī)充分混料6小時(shí)，直至觀察不到團(tuán)聚為止，將混合好的原料裝入干燥的玻璃器皿 內(nèi)備用； (3) 將步驟（2)中混合好的粉末裝入模具中，將裝好合金粉末的模具放入燒結(jié)爐中，當(dāng) 真空爐內(nèi)真空達(dá)到0. OOlPa時(shí)，對樣品施壓30MPa的壓力，通電以每分鐘30°C的速率升溫至 440°C，保溫30分鐘后降溫，當(dāng)溫度降至室溫取出樣品。
[0018] 本實(shí)施例制備的碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金粉末性能參數(shù)為：密度為2. 63g/cm3,時(shí)效處 理后抗拉強(qiáng)度達(dá)到496MPa，硬度為93HV。
[0019] 實(shí)施例2 本實(shí)施例中所用鋁鎂合金粉末的組成成分及重量百分比為：40%的Mg、0. 2%的Cu、 0. 1%的Μη、0. 5%的Si、0. 1%的Cr、0. 1%的Ζη、0. 1%的Ti,鍍銅碳纖維體積含量10%，其余 為Al及不可避免的雜質(zhì)。
[0020] 具體制備方法如下： (1) 將預(yù)處理好的碳纖維放入到鍍液中，在電動攪拌方式下進(jìn)行化學(xué)鍍。鍍液成分為： 硫酸銅16g/L，酒石酸鉀鈉22g/L，EDTA 27g/L，氫氧化鈉17g/L，甲醛16ml/L，二聯(lián)吡啶7mg/ L，亞鐵氰化鉀22mg/L，溫度為50°C，pH值為13,每升鍍液對應(yīng)碳纖維2. 5g?；瘜W(xué)鍍結(jié)束后， 鍛銅層結(jié)晶良好，是由不同取向Cu晶粒組成的多晶Cu鍛層，厚度約為1 μ m ; (2) 將步驟（1)處理好的鍍銅短碳纖維按10%體積分?jǐn)?shù)加入到鋁鎂合金粉末中，采用行 星式球磨機(jī)充分混料8小時(shí)，直至觀察不到團(tuán)聚為止，將混合好的原料裝入干燥的玻璃器 皿內(nèi)備用； (3) 將步驟（2)中混合好的粉末裝入模具中，將裝好合金粉末的模具放入燒結(jié)爐中，當(dāng) 真空爐內(nèi)真空達(dá)到0. 〇〇5Pa時(shí)，對樣品施壓IOOMPa的壓力，通電以每分鐘80°C的升溫速率 升溫至480°C，保溫5分鐘后降溫，當(dāng)溫度降至室溫取出樣品。
[0021] 本實(shí)施例制備的碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金粉末性能參數(shù)為：密度為2. 46g/cm3,時(shí)效處 理后抗拉強(qiáng)度達(dá)到51110^，硬度為101狀。
[0022] 實(shí)施例3 本實(shí)施例中所用鋁鎂合金粉末的組成成分及重量百分比為：25%的Mg、0. 35%的Cu、 0. 25%的Μη、0. 65%的Si、0. 2%的Cr、0. 3%的Ζη、0. 3%的Ti,鍍銅碳纖維體積含量5. 5%， 其余為Al及不可避免的雜質(zhì)。
[0023] 具體制備方法如下： (1) 將預(yù)處理好的碳纖維放入到鍍液中，在電動攪拌方式下進(jìn)行化學(xué)鍍。鍍液成分為： 硫酸銅15g/L，酒石酸鉀鈉20g/L，EDTA 25g/L，氫氧化鈉16g/L，甲醛15ml/L，二聯(lián)吡啶6mg/ L，亞鐵氰化鉀20mg/L，溫度為45°C，pH值為12. 5,每升鍍液對應(yīng)碳纖維3g?；瘜W(xué)鍍結(jié)束后， 鍛銅層結(jié)晶良好，是由不同取向Cu晶粒組成的多晶Cu鍛層，厚度約為1 μ m ; (2) 將步驟（1)處理好的鍍銅短碳纖維按5. 5%體積分?jǐn)?shù)加入到鋁鎂合金粉末中，采用 行星式球磨機(jī)充分混料8小時(shí)，直至觀察不到團(tuán)聚為止，將混合好的原料裝入干燥的玻璃 器皿內(nèi)備用； (3) 將步驟（2)中混合好的粉末裝入模具中，將裝好合金粉末的模具放入燒結(jié)爐中，當(dāng) 真空爐內(nèi)真空達(dá)到0. 〇〇3Pa時(shí)，對樣品施壓65MPa的壓力，通電以每分鐘55°C的升溫速率升 溫至455°C，保溫17分鐘后降溫，當(dāng)溫度降至室溫取出樣品。
[0024] 本實(shí)施例制備的碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金粉末性能參數(shù)為：密度為2. 53g/cm3,時(shí)效處 理后樣品抗拉強(qiáng)度達(dá)到526MPa，硬度為105HV。
【權(quán)利要求】
1. 一種鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料，其特征在于：由粒徑為10-15 μ m的鋁鎂合 金粉及其體積分?jǐn)?shù)為1?10%的鍍銅碳纖維制成，其中，按照重量百分比，鋁鎂合金粉的組 成成分為 10 ?40% 的 Mg、0. 2 ?0· 5% 的 Cu、0. 1 ?0· 4% 的 Μη、(λ 5 ?0· 8% 的 Si、0· 1 ? 0. 3%的Cr、0. 1?0. 5%的Ζη、0. 1-0. 5%的Ti和Al及不可避免的雜質(zhì)； 所述鍍銅碳纖維為直徑10 μ m的碳纖維浸入鍍液中通過化學(xué)鍍的方式得到。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料，其特征在于：所 述鍍液的pH值為12-13,溫度為40-50°C，鍍液中含有的成分如下：14-16g/L的硫酸銅、 18-22g/L的酒石酸鉀鈉、23-27g/L的EDTA、15-17g/L的氫氧化鈉、14-16ml/L的甲醛、 5-7mg/L的二聯(lián)吡啶和18-22mg/L的亞鐵氰化鉀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，包括以下步驟： 1) 碳纖維鍍銅 配制pH值為12-13的鍍液 分別稱取硫酸銅、酒石酸鉀鈉、EDTA、氫氧化鈉、甲醛、二聯(lián)吡啶和亞鐵氰化鉀溶于水中 配制成鍍液，鍍液中各成分的含量分別為：硫酸銅14_16g/L、酒石酸鉀鈉18-22g/L、EDTA 23-27g/L、氫氧化鈉15-17g/L、甲醛14-16ml/L、二聯(lián)吡啶5-7mg/L和亞鐵氰化鉀18-22mg/ L，并限定鍍液的溫度為40-50°C ; 將碳纖維置于配制好的鍍液中并保持?jǐn)嚢璧臓顟B(tài)下進(jìn)行化學(xué)鍍直至碳纖維的表面附 著有多晶銅鍛層； 2) 混料 將步驟1)中表面已鍍銅的碳纖維按照體積分?jǐn)?shù)1-10%的比例加入到鋁鎂合金粉末中， 然后采用行星式球磨機(jī)混料直至觀察不到團(tuán)聚為止，得到原料粉備用； 其中，所述鋁鎂合金粉的組成成分為10?40%的Mg、0. 2?0. 5%的Cu、0. 1?0. 4%的 Μη、0· 5 ?0· 8% 的 Si、0· 1 ?0· 3% 的 Cr、0· 1 ?0· 5% 的 Ζη、0· 1-0. 5% 的 Ti,其余為 Al 及 不可避免的雜質(zhì)； 3) 燒制合金 將步驟2)中得到的原料粉在真空度為0. 001-0. 005Pa、壓強(qiáng)為30-100MPa的條件下燒 結(jié)，燒結(jié)時(shí)，以每分鐘30-80°C的升溫速率將溫度升至440-480°C并保持該溫度5-30min完 成燒結(jié)，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫即得到產(chǎn)品。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍍銅碳纖維增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于：所述化學(xué)鍍時(shí)，按照每升鍍液對應(yīng)2. 5-3. 5g碳纖維的比例分配鍍液和碳纖維的量。
【文檔編號】C22C101/10GK104213055SQ201410467569
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】孫浩亮, 謝敬佩, 張林光, 王愛琴, 李繼文, 王文焱, 李洛利 申請人:河南科技大學(xué)