本發(fā)明屬于輕金屬材料領(lǐng)域，涉及一種鎂基復(fù)合材料，具體為一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用高強(qiáng)度、高模量、低密度的硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳纖維與石墨纖維等作為增強(qiáng)體，與相應(yīng)的金屬基體復(fù)合而成。其中增強(qiáng)纖維絕大多數(shù)情況下是作為承載組分，而金屬基體主要起粘結(jié)纖維、傳遞載荷、部分承載的作用。由于性能優(yōu)良的連續(xù)纖維加入，使得復(fù)合材料具有輕質(zhì)，比強(qiáng)度、比模量高，耐磨性強(qiáng)，耐高溫性能好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，抗疲勞，抗老化等優(yōu)良的綜合性能，在先進(jìn)武器、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究。鎂基復(fù)合材料的主要特點(diǎn)是密度低，比強(qiáng)度和比剛度高，同時(shí)還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優(yōu)良的減震性能及良好的尺寸穩(wěn)定性和鑄造性能等；但由于工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，目前主要應(yīng)用于航天及航空部門。鎂合金常用的連續(xù)增強(qiáng)體有碳纖維、硼纖維、三氧化二鋁纖維、鋁鈦纖維、鈦纖維等。碳纖維和鎂合金基體的潤濕性較差，使其在成型與制備上存在一定的難度。制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料需要解決的首要問題就是改善碳纖維與鎂合金之間的潤濕性，常用的最有效方法就是碳纖維表面涂層處理，利用溶膠-凝膠方法在碳纖維表面涂覆一層二氧化硅、化學(xué)鍍鎳等方式已經(jīng)得到良好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料目前已經(jīng)在航空航天的高精度空間結(jié)構(gòu)材料、汽車工業(yè)以及軍工制造等領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用前景，主要用作航天器結(jié)構(gòu)材料如衛(wèi)星天線的桁架結(jié)構(gòu)、航天站的安裝板以及航天器的光學(xué)測量系統(tǒng)等。以上應(yīng)用多采用單向碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。為了克服單向材料性能的各向異性等缺點(diǎn)，對(duì)二維織物結(jié)構(gòu)鎂基復(fù)合材料也進(jìn)行了初步研究，獲得了具有徑向和緯向熱膨脹系數(shù)對(duì)稱的復(fù)合材料試樣，但對(duì)其他性能未能進(jìn)行深入研究。合金絲、氧化鋁纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料起步晚，目前只是處于實(shí)驗(yàn)室研制階段。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，獲得一種碳纖維與鎂基復(fù)合材料之間潤濕性良好，且鍍鎳等特殊處理的鎂基復(fù)合材料，本發(fā)明提供了一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料及其制備方法。技術(shù)方案：一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為：三氧化二鋁3.2～7.9wt.％、碳纖維12.5～18.9wt.％、銅2.7～6.8wt.％、鐵1.5～4.8wt.％、硅酸鈉0.2～1.4wt.％、石墨2.1～7.6wt.％、硫酸銅1.2～5.6wt.％、硫酸鎂0.9～2.5wt.％、余量為鎂。優(yōu)選的，三氧化二鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為4.5～6.8wt.％。優(yōu)選的，碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為15.6～17.2wt.％。優(yōu)選的，石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為3.5～6.5wt.％。優(yōu)選的，鎂元素與碳纖維的質(zhì)量比大于5。優(yōu)選的，鎂元素與銅元素的質(zhì)量比大于30。優(yōu)選的，鎂元素與石墨的質(zhì)量比大于20。一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于1.2～3.5mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.1～0.5倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理2～4小時(shí)；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于40～56℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進(jìn)行熔化，待其熔化一半時(shí)加入步驟(2)獲得的固體粉末，在680～760℃內(nèi)保溫30～65分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫?cái)噭?，?60～780℃時(shí)加入精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置20～40分鐘，再加入表面活性劑，在700～720℃撇去表面浮渣，得到鎂基復(fù)合材料熔體；(5)對(duì)鎂基復(fù)合材料熔體進(jìn)行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時(shí)效處理后即可制得改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。優(yōu)選的，固溶處理的溫度為490～530℃，時(shí)間為5～16小時(shí)。優(yōu)選的，時(shí)效處理的溫度為215～260℃，時(shí)間為20～48小時(shí)。有益效果：(1)本發(fā)明所述改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料具有密度低，比強(qiáng)度和比剛度高，同時(shí)還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優(yōu)良的減震性能及良好的尺寸穩(wěn)定性和鑄造性能；(2)本發(fā)明所述改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法克服了碳纖維與鎂基復(fù)合材料之間潤濕性差的缺陷；(3)本發(fā)明所述方法制備工藝簡單，成本較低。具體實(shí)施方式實(shí)施例1一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為：三氧化二鋁3.2wt.％、碳纖維12.5wt.％、銅2.7wt.％、鐵1.5wt.％、硅酸鈉0.2wt.％、石墨2.1wt.％、硫酸銅1.2wt.％、硫酸鎂0.9wt.％、余量為鎂。一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于1.2mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.1倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理2小時(shí)；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于40℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進(jìn)行熔化，待其熔化一半時(shí)加入步驟(2)獲得的固體粉末，在680℃內(nèi)保溫30分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫?cái)噭颍?60℃時(shí)加入精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置20分鐘，再加入表面活性劑，在700℃撇去表面浮渣，得到鎂基復(fù)合材料熔體；(5)對(duì)鎂基復(fù)合材料熔體進(jìn)行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時(shí)效處理后即可制得改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。固溶處理的溫度為490℃，時(shí)間為5小時(shí)。時(shí)效處理的溫度為215℃，時(shí)間為20小時(shí)。實(shí)施例2一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為：三氧化二鋁4.5wt.％、碳纖維14.8wt.％、銅4.2wt.％、鐵2.3wt.％、硅酸鈉0.5wt.％、石墨3.9wt.％、硫酸銅2.9wt.％、硫酸鎂1.2wt.％、余量為鎂。一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于1.7mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.2倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理3小時(shí)；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于46℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進(jìn)行熔化，待其熔化一半時(shí)加入步驟(2)獲得的固體粉末，在700℃內(nèi)保溫40分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫?cái)噭?，?70℃時(shí)加入精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置25分鐘，再加入表面活性劑，在705℃撇去表面浮渣，得到鎂基復(fù)合材料熔體；(5)對(duì)鎂基復(fù)合材料熔體進(jìn)行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時(shí)效處理后即可制得改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。固溶處理的溫度為500℃，時(shí)間為8小時(shí)。時(shí)效處理的溫度為226℃，時(shí)間為25小時(shí)。實(shí)施例3一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為：三氧化二鋁5.6wt.％、碳纖維16.3wt.％、銅5.6wt.％、鐵3.2wt.％、硅酸鈉1.1wt.％、石墨4.5wt.％、硫酸銅4.1wt.％、硫酸鎂1.7wt.％、余量為鎂。一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于2.8mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.4倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理3小時(shí)；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于52℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進(jìn)行熔化，待其熔化一半時(shí)加入步驟(2)獲得的固體粉末，在715℃內(nèi)保溫50分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫?cái)噭颍?70℃時(shí)加入精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置30分鐘，再加入表面活性劑，在710℃撇去表面浮渣，得到鎂基復(fù)合材料熔體；(5)對(duì)鎂基復(fù)合材料熔體進(jìn)行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時(shí)效處理后即可制得改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。固溶處理的溫度為515℃，時(shí)間為12小時(shí)。時(shí)效處理的溫度為245℃，時(shí)間為32小時(shí)。實(shí)施例4一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為：三氧化二鋁7.9wt.％、碳纖維18.9wt.％、銅6.8wt.％、鐵4.8wt.％、硅酸鈉1.4wt.％、石墨7.6wt.％、硫酸銅5.6wt.％、硫酸鎂2.5wt.％、余量為鎂。一種改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將硫酸銅和硫酸鎂溶于3.5mol/l的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.5倍體積的無水乙醇，混合均勻后加入碳纖維，超聲處理4小時(shí)；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于56℃的烘箱中，去除水分后收集固體粉末；(3)將純鎂進(jìn)行熔化，待其熔化一半時(shí)加入步驟(2)獲得的固體粉末，在760℃內(nèi)保溫65分鐘；(4)添加三氧化二鋁、銅、鐵、硅酸鈉和石墨后保溫?cái)噭?，?80℃時(shí)加入精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置40分鐘，再加入表面活性劑，在720℃撇去表面浮渣，得到鎂基復(fù)合材料熔體；(5)對(duì)鎂基復(fù)合材料熔體進(jìn)行重力鑄造，得到鎂合金鑄件；將鑄件依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時(shí)效處理后即可制得改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。固溶處理的溫度為530℃，時(shí)間為16小時(shí)。時(shí)效處理的溫度為260℃，時(shí)間為48小時(shí)。對(duì)實(shí)施例1～4制備獲得的改性碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料進(jìn)行性能測試，結(jié)果如下表所示：實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3實(shí)施例4最高使用溫度/℃545620615598耐疲勞強(qiáng)度/mpa1000120012681190當(dāng)前第1頁12