一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：步骤1，将碳纤维表面进行预处理；步骤2，采用电镀法在碳纤维表面镀覆金属铜、镍或铬；步骤3，称取一定量的金属粉与包覆金属的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合；步骤4，将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型；步骤5，将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨模具中进行热压烧结；步骤6，将经步骤5烧结后的复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，既得碳纤维增强金属基复合材料。本发明专利技术的制备方法解决了现有纤维增强复合材料由于界面润湿问题使得增强相与基体结合不好，导致纤维过早拔出、断裂、失效的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料制备方法
，具体涉及一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法。
技术介绍
复合材料是由基体材料、增强体以及二者之间的界面组成的，其性能取决于增强体与基体的比例以及三个组成部分的性能。复合材料能够发挥各自组成材料的优点，其组成上相互取长补短产生协同效应而具有新的特性，同时能设计出满足实际需要的特殊性能和综合性能而越来越多地受到世界各国的高度重视。金属基复合材料相对于其他材料，具有较高的比强度、比刚度、优良的导电性、耐热性、高韧性和高冲击性能。广泛地应用在航空航天、汽车造船、建筑桥梁、电力机械、医疗和体育等各个领域。金属基复合材料的增强体主要有纤维、晶须和颗粒，其中纤维因具有高强度、高模量、耐高温、耐环境、耐摩擦、耐化学药品等特性而作为增强体的首选。特别是碳纤维因密度小、强度大、电学热学性能优异，通常作为复合材料的主要增强相。然而碳纤维与金属基体复合时，由于碳纤维的非金属性，界面的润湿性以及结合状态等成为该类复合材料发展的瓶颈。如果其机械物理结合界面强度较低，承受载荷时往往造成碳纤维的拔出、剥离或脱落，就会大大影响复合材料的性能。为此，对碳纤维表面进行改性，就成为调控金属与碳纤维结合状态的必然。以改性碳纤维制备出的复合材料就能弥补当前此类材料存在的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，解决了现有纤维增强复合材料由于界面润湿问题使得增强相与基体结合不好，导致纤维过早拔出、断裂、失效的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：步骤1，将碳纤维表面进行预处理；步骤2，采用电镀法在碳纤维表面镀金属铜、镍或铬；步骤3，称取一定量的金属粉与包覆金属铜、镍或铬的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30～80min；步骤4，将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为300～500MPa；步骤5，将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨模具中进行热压烧结；步骤6，将经步骤5烧结后的复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，即得碳纤维增强金属基复合材料。本专利技术的特征还在于，步骤1中碳纤维表面进行预处理的过程如下：将碳纤维置于加热炉中在480～500℃下灼烧30～60min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h，水洗后，置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h，再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化60～90min，用去离子水洗至中性。步骤2中，采用电镀法在碳纤维表面镀覆金属铜、镍或铬的具体过程如下：将步骤1处理后的碳纤维作为阴极，将镍片、铜片或铅片作为阳极，置于电镀液中电镀，然后水洗3～5次，置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h；在碳纤维表面镀覆金属铜后还需再经过钝化处理。步骤2中，用于在碳纤维表面镀覆金属铜的电镀液组成为：硫酸铜30～50g/L、酒石酸钠10～25g/L、柠檬酸钠60～90g/L及硝酸钾8～12g/L，其电镀的工艺条件为：电镀温度：25～45℃，电流密度：1.0～3.5A/dm2，电镀时间：20～40min。步骤2中，用于在碳纤维表面镀覆金属镍的电镀液组成为：硫酸镍200～270g/L、氯化镍60～70g/L、硼酸32～40g/L及十二烷基硫酸钠0.01～0.1g/L，其电镀的工艺条件为：电镀温度：25～40℃，电流密度：0.1～0.5A/dm2，电镀时间：4～20min。步骤2中，用于在碳纤维表面镀覆金属铬的电镀液组成为：铬酐230～250g/L、浓硫酸1.25～5mL/L及硼酸5～10g/L，其电镀的工艺条件为：电镀温度：40～60℃，电镀时间：10～30min，电流密度：24～30A/dm2。步骤3中，包覆金属铜、镍或铬的碳纤维的体积占混合物料总体积的1％～50％。步骤3中的金属粉为铜粉、铁粉、铝粉或钨粉。步骤5中，热压烧结过程为：在高温气氛保护热压炉中缓慢加热至金属熔点的0.7～0.8倍、同时加压制压力20～30MPa，停留60～90min后随炉冷却，所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1～2L/h。步骤6中，所用的砂粒粒径约0.1～0.5mm，冲击速度为1～3m/s。本专利技术的有益效果是：(1)通过在碳纤维表面预先包覆金属再混合热压烧结，可大幅提高该复合材料的机械性能和物理性能；(2)本专利技术制备碳纤维增强金属基复合材料的方法，操作简单、能耗少、成本低、生产效率高、易于工业化生产。附图说明图1为采用本专利技术方法制备的电镀铜碳纤维的SEM图；图2为采用本专利技术方法制备的电镀镍碳纤维的SEM图；图3为采用本专利技术方法制备的电镀铬碳纤维的SEM图；图4为采用本专利技术方法制备的体积分数为3％镀覆铬碳纤维增强铜基复合材料低倍组织形貌图；图5为采用本专利技术方法制备的体积分数为10％镀覆铬碳纤维增强铜基复合材料低倍组织形貌图；图6为采用本专利技术方法制备的体积分数为15％镀覆铬碳纤维增强铜基复合材料低倍组织形貌图。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：步骤1，碳纤维的表面预处理将碳纤维置于加热炉中在480℃～500℃下灼烧30～60min进行热脱脂(所购碳纤维不同，其表面有机胶成分不同，故灼烧温度、灼烧时间视具体碳纤维而定，如商用的TC-35型碳纤维480℃下灼烧60min可完成热脱脂)，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中35～45℃干燥6～8小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化60～90min，用去离子水洗至中性。步骤2，采用电镀法在碳纤维表面镀金属铜、镍或铬将步骤1处理后的碳纤维作阴极，镍片、铜片或铅片作阳极，置于电镀液中电镀。再用去离子水水洗多次后置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h、待用。电镀液组成及工艺参数见表1。值得提出的是铜易氧化，电镀铜完成后需及时进行钝化处理(即将镀覆铜的碳纤维置于15％的乙二胺四乙酸二钠溶液中钝化15min)，再水洗、干燥。表1电镀液组成及工艺参数步骤3，配料将粒径为60～80微米(200目)左右的金属粉体按照所制复合材料的比例计算金属粉体和包覆金属的碳纤维(包覆的金属层可忽略不计)各自的量(计算方法是零件体积G理论密度G添加的比例)。按体积百分比，复合材料的理论密度＝金属的密度G金属粉体添加的体积比例+包覆金属的碳纤维的密度G包覆金属的碳纤维添加的体积比例。一般金属基体是铜的，用包覆铜或镍的碳纤维；金属基体是铁或钨的，建议用包覆镍的碳纤维。步骤4，混合把步骤3计算好的金属粉和包覆金属的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30～80min。在混合时添加10～20mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘。包覆金属铜、镍或铬的碳纤维的体积占混合物料总体积的1％～50％。步骤5，成型按照所加工零件的大小和具体的成分要求，把步骤4混合好的物料称取一定量的(称取的量取决于复合材料的成分与压坯的大小，一般计算方法是，称取的质量＝压坯的体积G该成分复合材料的密度)装在钢压模具(决定零件的尺寸和形状，事先设计好的)中冷压成型，所选取的压制压力为300～500MPa。步骤6，热压烧结将步骤5冷压成型的生坯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将碳纤维表面进行预处理；步骤2，采用电镀法在碳纤维表面镀金属铜、镍或铬；步骤3，称取一定量的金属粉与包覆金属铜、镍或铬的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30～80min；步骤4，将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为300～500MPa；步骤5，将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨模具中进行热压烧结；步骤6，将经步骤5烧结后的复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，即得碳纤维增强金属基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将碳纤维表面进行预处理；步骤2，采用电镀法在碳纤维表面镀金属铜、镍或铬；步骤3，称取一定量的金属粉与包覆金属铜、镍或铬的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30～80min；步骤4，将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为300～500MPa；步骤5，将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨模具中进行热压烧结；步骤6，将经步骤5烧结后的复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，即得碳纤维增强金属基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中碳纤维表面进行预处理的过程如下：将碳纤维置于加热炉中在480～500℃下灼烧30～60min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h，水洗后，置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h，再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化60～90min，用去离子水洗至中性。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，采用电镀法在碳纤维表面镀覆金属铜、镍或铬的具体过程如下：将步骤1处理后的碳纤维作为阴极，将镍片、铜片或铅片作为阳极，置于电镀液中电镀，然后水洗3～5次，置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h；在碳纤维表面镀覆金属铜后还需再经过钝化处理。4.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，用于在碳纤维表面镀覆金属铜的电镀液组成为：硫酸铜30～50g/L、酒石酸钠10～25g/L、柠檬酸钠60～90g/L及硝酸钾8～12g/L，其电镀的工艺条件为：电镀温度：2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文革，薛元琳，王娇娇，王蕾，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61