本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超聲波振動(dòng)制備層狀交叉碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高抗拉強(qiáng)度等優(yōu)異性能，在汽車(chē)制造以及航天航空行業(yè)受到更多關(guān)注。然而目前諸多制備金屬基碳纖維復(fù)合材料的方法都存在很大的局限性，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能造成嚴(yán)重?fù)p傷。

目前，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料多采用擠壓鑄造、擴(kuò)散粘結(jié)法、熱等靜壓法、真空壓力浸滲法和無(wú)壓浸滲法等工藝方法進(jìn)行制備。擠壓鑄造是通過(guò)對(duì)液態(tài)的金屬液施加外力，使得液態(tài)金屬在外圧力作用下浸入到預(yù)制體中碳纖維的間隙中，將碳纖維進(jìn)行包裹形成復(fù)合材料。但由于碳纖維抗剪切力弱的特點(diǎn)，該方法在制備過(guò)程中對(duì)碳纖維施加了巨大的剪切應(yīng)力，從而在制備過(guò)程中對(duì)碳纖維造成巨大損傷，使得使用該方法制備的碳纖維復(fù)合材料中斷裂的碳纖維作為缺陷相，造成復(fù)合材料的機(jī)械性能低于其金屬基體的機(jī)械性能。擴(kuò)散粘結(jié)法是將碳纖維和較薄的金屬材料交替層疊后制成預(yù)制體，對(duì)其預(yù)制體施加巨大靜壓力使金屬材料擴(kuò)散到碳纖維間隙中從而制備復(fù)合材料的方法。該方法在金屬基體熔點(diǎn)以下70~200℃進(jìn)行，金屬基體為固態(tài)，當(dāng)其預(yù)制體受到巨大靜壓力后金屬對(duì)于碳纖維的損傷相比于液態(tài)下更為明顯和嚴(yán)重，造成該方法制備的復(fù)合材料機(jī)械性能遠(yuǎn)低于金屬基體的機(jī)械性能。同時(shí)由于該制備方法采用擴(kuò)散形式進(jìn)行，其制備過(guò)程十分緩慢，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。熱等靜壓法是通過(guò)將碳纖維預(yù)制體放入金屬液中并對(duì)金屬液施加各個(gè)方向的等靜壓力，使得金屬液在各個(gè)方向時(shí)受壓力影響從而浸入到碳纖維間隙中，形成復(fù)合材料的方法。該方法所施加的應(yīng)力為靜壓力，從而減輕了壓力對(duì)于碳纖維的損傷。但由于該工藝方法制備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而使得碳纖維在金屬液中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致碳纖維與基體金屬接觸并反應(yīng)，形成的反應(yīng)界面過(guò)厚，由于反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，基體金屬與碳纖維的作用對(duì)碳纖維的侵蝕作用明顯，對(duì)于碳纖維的損傷較大。該方法制備的碳纖維復(fù)合材料在承受載荷時(shí)其間的碳纖維會(huì)因其受損而作為缺陷相，使復(fù)合材料的機(jī)械性能低于其基體合金。真空壓力浸滲法是將增強(qiáng)纖維制備成纖維預(yù)制體的形式，放入到真空壓力設(shè)備的模具中，在真空狀態(tài)和高壓惰性氣體共同作用條件下，將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料預(yù)制件間隙中完成復(fù)合材料的制備。該方法因采用浸滲方式進(jìn)行復(fù)合材料制備，使得制備時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，造成碳纖維在高溫下與金屬液接觸時(shí)間較長(zhǎng)，碳纖維與液態(tài)金屬基體反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)該制備方法對(duì)于制造設(shè)備要求高，設(shè)備制備成本高且對(duì)于復(fù)合材料尺寸限制較大。無(wú)壓浸滲法是將復(fù)合材料的基體合金放到碳纖維預(yù)制體上方，在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行熔化，利用重力使其慢慢自發(fā)的浸滲到碳纖維的間隙當(dāng)中，從而制備出復(fù)合材料。由于碳纖維間隙較小，而液態(tài)金屬的粘度較大，該制備工藝方法無(wú)法使得碳纖維間隙在制備過(guò)程中增大以滿(mǎn)足金屬液浸入的要求，并且碳纖維在復(fù)合材料中分散不均勻。該方法會(huì)使得所制備出的碳纖維復(fù)合材料中會(huì)存在由于金屬液無(wú)法浸入纖維間隙而產(chǎn)生的缺陷，從而復(fù)合材料的機(jī)械性能低于其基體機(jī)械性能。

利用超聲波振動(dòng)法可以解決碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維分散不均勻、無(wú)法完全浸滲的問(wèn)題，并且在短時(shí)間內(nèi)便可制備完成，極大減小了高溫下碳纖維與鋁基體的反應(yīng)。因此，該工藝方案不但可以使碳纖維均勻分散，而且極大程度上保證了碳纖維的完好，降低制備時(shí)長(zhǎng)和生產(chǎn)周期，達(dá)到提高碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：

本發(fā)明要解決現(xiàn)有制備技術(shù)存在的碳纖維損傷大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)的不足，提供一種快速、高效、可提供具有高力學(xué)性能的碳纖維金屬基復(fù)合材料的制備方法。

技術(shù)方案：

超聲振動(dòng)制備層狀交叉碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）.將碳纖維層狀交叉排布制得碳纖維編制物，將所制得的碳纖維編制物置于兩個(gè)環(huán)形夾片之間，通過(guò)夾具夾持兩個(gè)環(huán)境夾片給其一個(gè)預(yù)緊力，使繃緊狀態(tài)的碳纖維編制物固定在具有預(yù)緊力的環(huán)形夾片間，得到具有預(yù)緊力的碳纖維預(yù)制體；

（2）.在惰性氣體保護(hù)或真空條件下將纖維預(yù)制體放入熔融金屬液；

（3）.在碳纖維預(yù)制體正上方施加超聲波，并以勻速往復(fù)掃略的方式移動(dòng)超聲波作用位置，使超聲波作用范圍覆蓋整個(gè)碳纖維預(yù)制體；

（4）.將碳纖維金屬基復(fù)合材料移出金屬液并空冷到室溫。

所述步驟（1）中的碳纖維編制物為層狀疊加結(jié)構(gòu)，每層由若干根纖維束構(gòu)成，疊加層數(shù)大于等于1層，層間距為0~5cm，層間疊加角度α為：0°≤α≤90°，同向纖維束間距為0~10cm，碳纖維具有2~8n預(yù)緊力。

所述步驟（2）中熔融金屬液溫度為所用金屬的熔點(diǎn)溫度以上100℃~200℃范圍內(nèi)。

所述步驟（3）中在垂直于碳纖維預(yù)制體上方1~13cm處施加超聲波，振動(dòng)頻率為7khz~43khz，振幅為20~150μm，作用時(shí)間為0.1~20min，超聲波振頭以0.01~0.1m/s的速率掃略碳纖維預(yù)制體。

所述步驟（1）中夾具為u形夾具。

優(yōu)點(diǎn)及效果：

本發(fā)明采用超聲波振動(dòng)方式，大幅提高層狀交叉碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備速度，極大的縮短了層狀交叉碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備周期，提高了層狀交叉碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備效率。在碳纖維與金屬液接觸時(shí)間極大縮短的條件下制備層狀交叉碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，由于碳纖維與金屬液接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使碳纖維受到極大損傷，損傷后的碳纖維在復(fù)合材料中不能作為增強(qiáng)相反而作為缺陷降低復(fù)合材料力學(xué)性能，因而本發(fā)明制備的層狀交叉碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比于常規(guī)制備工藝制備的碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料而言，力學(xué)性能顯著提升。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

圖1為碳纖維預(yù)制體示意圖；

圖2為在掃描電鏡下單層碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料局部組織圖片；

圖3為在掃描電鏡下雙層碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料局部組織圖片。

所述標(biāo)注為：1.碳纖維編制物、2.環(huán)形夾片、3.夾具。

具體實(shí)施方式

超聲振動(dòng)制備層狀交叉碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：

（1）.將碳纖維層狀交叉排布制得碳纖維編制物1，將所制得的碳纖維編制物置于兩個(gè)環(huán)形夾片2之間，通過(guò)夾具3夾持兩個(gè)環(huán)境夾片2給其一個(gè)預(yù)緊力，使繃緊狀態(tài)的碳纖維編制物1固定在具有預(yù)緊力的環(huán)形夾片2間，得到具有預(yù)緊力的碳纖維預(yù)制體，夾具3為u形夾具。所述碳纖維編制物為層狀疊加結(jié)構(gòu)，每層由若干根纖維束構(gòu)成，疊加層數(shù)大于等于1層，層間距為0~5cm，層間疊加角度α為：0°≤α≤90°，同向纖維束間距為0~10cm，碳纖維具有2~8n預(yù)緊力；

（2）.在惰性氣體保護(hù)或真空條件下將纖維預(yù)制體放入熔融金屬液，熔融金屬液溫度為所用金屬的熔點(diǎn)溫度以上100℃~200℃范圍內(nèi)；

（3）.在垂直于碳纖維預(yù)制體上方1~13cm處施加超聲波，并以勻速往復(fù)掃略的方式移動(dòng)超聲波作用位置使超聲波作用范圍覆蓋整個(gè)碳纖維預(yù)制體，超聲波振動(dòng)頻率為7khz~43khz，振幅為20~150μm，作用時(shí)間為0.1~20min，超聲波振頭以0.01~0.1m/s的速率掃略碳纖維預(yù)制體;

（4）.將碳纖維金屬基復(fù)合材料移出金屬液并空冷到室溫。

由于金屬液流動(dòng)性會(huì)隨著金屬液溫度發(fā)生變化，其關(guān)系互成正比關(guān)系，同時(shí)由于碳纖維間隙與金屬液流動(dòng)性的關(guān)系，碳纖維復(fù)合材料需要金屬液溫度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行制備，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，對(duì)于本專(zhuān)利所適用的金屬液材料，熔點(diǎn)以上100℃到200℃范圍內(nèi)金屬液的流動(dòng)性符合本專(zhuān)利制備工藝的要求，所制備的復(fù)合材料內(nèi)部沒(méi)有出現(xiàn)缺陷，且具有良好的機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能和比強(qiáng)度。

如圖1所示，將碳纖維層狀交叉排布制得碳纖維編制物，將所制得的碳纖維編制物置于兩個(gè)環(huán)形夾片之間，通過(guò)夾具夾持兩個(gè)環(huán)境夾片給其一個(gè)預(yù)緊力，使繃緊狀態(tài)的碳纖維編制物固定在具有預(yù)緊力的環(huán)形夾片間，得到具有預(yù)緊力的碳纖維預(yù)制體，夾具為u形夾具。由圖中可以觀(guān)察到碳纖維排布均勻，碳纖維在環(huán)形夾片作用下呈現(xiàn)平整狀態(tài)。

以下實(shí)施例熔融的金屬液皆為使用熔融的鋁液，但不局限于實(shí)施例所用熔融的鋁液：

實(shí)施例1：

單層碳纖維層由若干根纖維束編織而成，同向纖維束間距為0cm，1層碳纖維層構(gòu)成本實(shí)施例的碳纖維編織物，將其置于兩個(gè)環(huán)形夾片之間通過(guò)u型夾具夾持兩個(gè)環(huán)境夾片給其一個(gè)預(yù)緊力，該預(yù)緊力為2n，使繃緊狀態(tài)的碳纖維編制物固定在具有預(yù)緊力的環(huán)形夾片間，得到具有預(yù)緊力的碳纖維預(yù)制體。

在惰性氣體保護(hù)或真空條件下將纖維預(yù)制體放入660℃熔融鋁液中，熔點(diǎn)溫度就是660℃，在垂直于碳纖維預(yù)制體上方1cm處施加超聲波，振動(dòng)頻率為7khz，振幅為20μm，作用時(shí)間為0.1min，超聲波振頭以0.01m/s的速率以勻速往復(fù)掃略的方式移動(dòng)超聲波作用位置，使超聲波作用范圍覆蓋整個(gè)碳纖維預(yù)制體。最后將碳纖維鋁基復(fù)合材料移出鋁液并空冷到室溫。如圖2a所示，可以觀(guān)察到明顯孔洞缺陷，占圖幅面積的50%，周?chē)袕?fù)合良好且分散均勻的碳纖維復(fù)合材料組織。產(chǎn)生此種缺陷的原因是由于復(fù)合材料在熔點(diǎn)溫度的鋁合金進(jìn)行制備，而溫度在熔點(diǎn)附近的鋁合金其粘度較高、流動(dòng)性較低，從而在超聲波作用后碳纖維間隙大小不足以讓該溫度下的熔融鋁合金浸入，從而產(chǎn)生缺陷。

實(shí)施例2：

單層碳纖維層由若干根纖維束編織而成，同向纖維束間距為0cm，1層碳纖維層構(gòu)成本實(shí)施例的碳纖維編織物，將其置于兩個(gè)環(huán)形夾片之間通過(guò)u型夾具夾持兩個(gè)環(huán)境夾片給其一個(gè)預(yù)緊力，該預(yù)緊力為2n，使繃緊狀態(tài)的碳纖維編制物固定在具有預(yù)緊力的環(huán)形夾片間，得到具有預(yù)緊力的碳纖維預(yù)制體。

在惰性氣體保護(hù)或真空條件下將纖維預(yù)制體放入760℃熔融鋁液中，在垂直于碳纖維預(yù)制體上方1cm處施加超聲波，振動(dòng)頻率為7khz，振幅為20μm，作用時(shí)間為0.1min，超聲波振頭以0.01m/s的速率以勻速往復(fù)掃略的方式移動(dòng)超聲波作用位置，使超聲波作用范圍覆蓋整個(gè)碳纖維預(yù)制體。最后將碳纖維鋁基復(fù)合材料移出鋁液并空冷到室溫。如圖2b所示，可以觀(guān)察到碳纖維在超聲波作用后呈現(xiàn)較緊密分布且分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，纖維與纖維間間隙較為均勻，同時(shí)基體將碳纖維包裹良好。由圖中沒(méi)有觀(guān)察到缺陷，碳纖維形貌圓整且完好。其抗拉強(qiáng)度相比于基體合金提高19.74%，硬度提高17.12%，導(dǎo)熱系數(shù)提高17.62%，導(dǎo)電系數(shù)提高94.75%，比強(qiáng)度提高100.57%。因此得到的碳纖維抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及比強(qiáng)度高。

實(shí)施例3：

單層碳纖維層由若干根纖維束編織而成，同向纖維束間距為10cm，1層碳纖維層構(gòu)成本實(shí)施例的碳纖維編織物，將其置于兩個(gè)環(huán)形夾片之間通過(guò)u型夾具夾持兩個(gè)環(huán)境夾片給其一個(gè)預(yù)緊力，該預(yù)緊力為8n，使繃緊狀態(tài)的碳纖維編制物固定在具有預(yù)緊力的環(huán)形夾片間，得到具有預(yù)緊力的碳纖維預(yù)制體。

在惰性氣體保護(hù)或真空條件下將纖維預(yù)制體放入860℃熔融鋁液中，在垂直于碳纖維預(yù)制體上方13cm處施加超聲波，振動(dòng)頻率為43khz，振幅為150μm，作用時(shí)間為20min，超聲波振頭以0.1m/s的速率以勻速往復(fù)掃略的方式移動(dòng)超聲波作用位置，使超聲波作用范圍覆蓋整個(gè)碳纖維預(yù)制體。最后將碳纖維鋁基復(fù)合材料移出鋁液并空冷到室溫。如圖2c所示，可以觀(guān)察到黑色圓點(diǎn)為碳纖維，碳纖維在高振幅超聲波作用后分散均勻，分散性大，纖維與纖維之間間隙較大，纖維分散均勻無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)。由圖中沒(méi)有觀(guān)察到缺陷產(chǎn)生，纖維保持圓整且完好。其抗拉強(qiáng)度相比于基體合金提高23.24%，硬度提高8.47%，導(dǎo)熱系數(shù)提高7.54%，導(dǎo)電系數(shù)提高42.11%，比強(qiáng)度提高51.34%。因此得到的碳纖維抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及比強(qiáng)度高。

實(shí)施例4：

單層碳纖維層由若干根纖維束編織而成，同向纖維束間距為0cm，2層碳纖維層層狀交叉疊加排布，層間距0cm，層間疊加角度為0°，構(gòu)成本實(shí)施例的碳纖維編織物，將其置于兩個(gè)環(huán)形夾片之間通過(guò)u型夾具夾持兩個(gè)環(huán)境夾片給其一個(gè)預(yù)緊力，該預(yù)緊力為2n，使繃緊狀態(tài)的碳纖維編制物固定在具有預(yù)緊力的環(huán)形夾片間，得到具有預(yù)緊力的碳纖維預(yù)制體。在惰性氣體保護(hù)或真空條件下將纖維預(yù)制體放入760℃熔融鋁液中，在垂直于碳纖維預(yù)制體上方1cm處施加超聲波，振動(dòng)頻率為7khz，振幅為20μm，作用時(shí)間為20min，作用時(shí)間為0.1min，超聲波振頭以0.01m/s的速率以勻速往復(fù)掃略的方式移動(dòng)超聲波作用位置，使超聲波作用范圍覆蓋整個(gè)碳纖維預(yù)制體。最后將碳纖維鋁基復(fù)合材料移出鋁液并空冷到室溫。如圖3a所示，可以觀(guān)察到圖中細(xì)小圓形黑點(diǎn)為碳纖維。由于采用雙層碳纖維增強(qiáng)鋁基制備復(fù)合材料，圖中纖維數(shù)量較多。兩層碳纖維疊加層間距為0cm，同時(shí)其疊加角度為0°，因而呈現(xiàn)出如圖所示形貌。圖中碳纖維均勻分布，纖維與纖維間間隙保持均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，沒(méi)有觀(guān)察到缺陷產(chǎn)生。其抗拉強(qiáng)度相比于基體合金提高11.12%，硬度提高29.38%，導(dǎo)熱系數(shù)提高32.24%，導(dǎo)電系數(shù)提高161.5%，比強(qiáng)度提高138.4%。因此得到的碳纖維抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及比強(qiáng)度高。

實(shí)施例5：

單層碳纖維層由若干根纖維束編織而成，同向纖維束間距為10cm，2層碳纖維層層狀交叉疊加排布，層間距5cm，層間疊加角度為90°，構(gòu)成本實(shí)施例的碳纖維編織物，將其置于兩個(gè)環(huán)形夾片之間通過(guò)u型夾具夾持兩個(gè)環(huán)境夾片給其一個(gè)預(yù)緊力，該預(yù)緊力為8n，使繃緊狀態(tài)的碳纖維編制物固定在具有預(yù)緊力的環(huán)形夾片間，得到具有預(yù)緊力的碳纖維預(yù)制體。在惰性氣體保護(hù)或真空條件下將纖維預(yù)制體放入860℃熔融鋁液中，在垂直于碳纖維預(yù)制體上方13cm處施加超聲波，振動(dòng)頻率為43khz，振幅為150μm，作用時(shí)間為20min，超聲波振頭以0.1m/s的速率以勻速往復(fù)掃略的方式移動(dòng)超聲波作用位置，使超聲波作用范圍覆蓋整個(gè)碳纖維預(yù)制體。最后將碳纖維鋁基復(fù)合材料移出鋁液并空冷到室溫。如圖3b所示，圖中黑色圓點(diǎn)狀組織為碳纖維。從圖中可以明顯觀(guān)察到碳纖維分為上下兩層，其間存在明顯間距，預(yù)制體上兩層間距為5cm，由于超聲波作用使得上層纖維向下偏移，下層纖維由于受超聲波作用較小而偏移較少，從而形成如該圖所示的形貌。圖中碳纖維分散均勻，沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，但上層纖維在受到較大振幅超聲波作用后其分散間距較大，纖維與纖維間間距較大?；w將碳纖維包裹良好。圖中沒(méi)有觀(guān)察到缺陷存在，基體組織均勻沒(méi)有出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。其抗拉強(qiáng)度相比于基體合金提高11.12%，硬度提高29.38%，導(dǎo)熱系數(shù)提高32.24%，導(dǎo)電系數(shù)提高161.5%，比強(qiáng)度提高138.4%。因此得到的碳纖維抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及比強(qiáng)度高。

鋁合金基體在進(jìn)行過(guò)本專(zhuān)利方法制備成為碳纖維復(fù)合材料后，其抗拉強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)電系數(shù)以及比強(qiáng)度都有顯著的提升，其中導(dǎo)電系數(shù)以及比強(qiáng)度提高最為顯著，其提升幅度均達(dá)到50%以上。雙層碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)其抗拉強(qiáng)度提升比例略低于單層碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，但其硬度、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)電系數(shù)以及比強(qiáng)度的提升比例遠(yuǎn)高于單層碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本專(zhuān)利制備方法同樣適用于鎂合金等其他金屬?gòu)?fù)合材料的制備。鎂合金通過(guò)本專(zhuān)利方法制備成為碳纖維復(fù)合材料后其抗拉強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱導(dǎo)電系數(shù)以及比強(qiáng)度相比于基體合金均有提升。其中導(dǎo)熱導(dǎo)電系數(shù)以及比強(qiáng)度高比例均達(dá)到50%以上。

該制備方法同樣適用于3層及3層以上碳纖維層，故不再舉例贅述。

該制備方案所用合金同樣適用于鎂及鎂合金、銅及銅合金、鋅及鋅合金等碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備，不局限于實(shí)施例所用金屬鋁。