一种短碳纤维铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种短碳纤维铝基复合材料及其制备方法，制备方法包括表面处理、化学镀铜、混合、烧结等步骤，所制备出的短碳纤维铝基复合材料，包括质量百分数为8wt％～10wt％的镀铜短碳纤维和质量百分数为90wt％～92wt％的铝粉；其中，镀铜短碳纤维长度为2～3mm，直径小于20μm，铜镀层厚度为1um，铝粉的粒径为20～100um。测得短碳纤维增强铝基复合材料致密度为98.5％，硬度为92.38Mpa，拉伸强度为202.05Mpa，抗弯强度为376.05Mpa。采用本发明专利技术方法可解决短碳纤维在复合材料中分散性差的技术问题，所制备出的短碳纤维铝基复合材料，性能优越，能满足特殊场合的使用需求。

A short carbon fiber aluminum matrix composite and its preparation method

The present invention discloses a short carbon fiber aluminum matrix composite and its preparation method. The preparation method includes the steps of surface treatment, electroless copper plating, mixing, sintering and so on. The prepared short carbon fiber aluminum matrix composite, including the copper plated short carbon fiber with a mass percentage of 8wt% to 10wt%, and the mass percentage of 90wt% to 92wt% The length of the copper short carbon fiber is 2 ~ 3mm, the diameter is less than 20 m, the thickness of the copper coating is 1um, and the particle size of the aluminum powder is 20 ~ 100um. The short carbon fiber reinforced aluminum matrix composite has a density of 98.5%, a hardness of 92.38Mpa, a tensile strength of 202.05Mpa, and a flexural strength of 376.05Mpa. The method can solve the technical problem of the poor dispersion of short carbon fiber in the composite. The prepared short carbon fiber aluminum matrix composite has superior performance and can meet the needs of special occasions.

【技术实现步骤摘要】
一种短碳纤维铝基复合材料及其制备方法
本专利技术属于碳纤维复合材料制备
，具体涉及一种短碳纤维铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
如今传统的材料难以应付技术进步所需的性能。在寻找先进材料的过程中，研究人员对各种材料体系进行了创新，金属基复合材料是近几十年来最突出的材料体系之一。由于刚度、强度与重量比、高温性能和硬度的不同寻常组合，它们在飞机技术、电子工业和其它领域的应用正在显著增长。其中，铝基复合材料材料被认为是一种优良的金属基复合材料，由于密度低，易于生产，因此成本相对较低。铝基复合材料的研究始于20世纪50年代，铝基体常用的增强材料是碳化硅、氧化铝和铝硅酸盐。此外近几年来，碳纤维的性能得到了突飞猛进的提高，碳纤维由于其拥有低成本、高模量、高比强度和比刚度也可被视为优良的增强材料，但由于界面问题和制造问题，碳纤维铝基复合材料仍处于研究阶段。阻止碳纤维与基体间的反应，同时提高润湿性以及碳纤维和铝基体之间的粘结性是解决铝基复合材料界面问题的关键，碳纤维表面金属化是提高纤维增强复合材料性能的关键之一，它既能阻止纤维与基体的反应,又能提高润湿性，还使界面有一定的结合力，达到有效地传递载荷提高复合材料的力学性能。因此，碳纤维增强复合材料正成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。碳纤维的金属化是利用电镀、化学镀和CVD在其表面上形成单个金属或合金涂层。化学镀在降低成本和稳定性方面相对比较出色。而传统的碳纤维表面化学镀处理后的镀层厚度和稳定性不足以在后续制备中阻隔碳纤维与铝基反应生成脆性相Al4C3而降低复合材料的各项性能。而且现有方法在后续制备复合材料的过程中，通常会由于碳纤维分散不均而严重影响复合材料的性能。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提供一种短碳纤维铝基复合材料制备方法，以解决采用传统制备方法制备出的金属基碳纤维性能差的技术问题。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：提供一种短碳纤维铝基复合材料制备方法，包括以下步骤：(1)将短碳纤维依次经过去胶、粗化、敏化、活化、还原和干燥处理后，得待镀纤维；(2)对步骤(1)所得待镀纤维进行化学镀铜处理，得镀铜短碳纤维；在镀铜过程中以1ml/1.5min的量向镀液中添加40％NaOH溶液；镀铜温度为55℃～65℃，镀铜时间为40～45min；(3)将镀铜短碳纤维均匀分散到无水乙醇中，每隔1～1.5min取一次镀铜短碳纤维加入到处于持续搅拌状态下的铝粉浆料中，至镀铜碳纤维全部加入，继续搅拌2～2.5h，然后在60～65℃条件下进行真空干燥，干燥时间为2～2.5h，得混合粉末；其中，铝粉浆料为铝粉与无水乙醇按固液比为1:2～3混合后的产物；(4)对步骤(3)所得混合粉末进行放电等离子烧结，烧结温度为550～620℃，保温时间为7～15min，外加载荷为30～40Mpa；随后在200～220℃条件下时效处理16～20h，得到短碳纤维增强铝基复合材料。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，步骤(1)中短碳纤维处理的具体方法为：将短碳纤维加热至425～475℃，保温55～65min；再将去胶后短碳纤维置于55～65℃的浓HNO3中搅拌80～100min；接着将粗化后的短碳纤维置于敏化液中，先超声振荡5～7min，再搅拌5～7min；随后将敏化后的短碳纤维置于银氨溶液中搅拌5～7min；再将活化后的短碳纤维置于15～20g/L的次亚磷酸钠溶液中搅拌1～2min；最后在50～60℃条件下烘干得待镀纤维；以上每个步骤后都先用去离子水将短碳纤维冲洗至中性，再进行下一个步骤。进一步，敏化液为SnCl2·2H2O溶液与HCl溶液按体积比为1～2:1混合的混合溶液，其中SnCl2·2H2O溶液的浓度为25～30g/L，HCl溶液的浓度为40～50mL/L；银氨溶液为AgNO3溶液与氨水按体积比为1:1～2混合的混合溶液，其中，AgNO3溶液的浓度为5～10g/L，氨水的浓度为8～12mL/L。进一步，步骤(2)中镀液包括：进一步，步骤(3)中采用超声对镀铜后的短碳纤维进行分散，超声频率为15～20kHz，超声时间10～15min；镀铜短碳纤维与铝粉浆料按1:15～20的体积比混合。进一步，步骤(4)中进行等离子放电烧结时，烧结温度为600℃，保温时间为10min，外加载荷为40Mpa。采用上述制备方法，可以制备一种短碳纤维铝基复合材料，该复合材料包括质量百分数为3wt％～10wt％的镀铜短碳纤维和质量百分数为90wt％～97wt％的铝粉；其中，镀铜短碳纤维长度为2～3mm，直径小于20μm，铜镀层厚度为1um，铝粉的粒径为20～100um。本专利技术的有益效果是：1.经过去胶和粗化处理后的碳纤维表面含氧量高达25％，并且在强酸条件下也没有破坏碳纤维。通过敏化-活化-还原条件使得碳纤维表面分布均匀的活化点，使得化学镀中镀层更加均分并且拥有一定的结合力。2.传统化学镀铜工艺中镀层相对比较薄，铜颗粒粒度差异大，并且存在部分没有镀上铜层的纤维，尤其端部特别明显。而在本专利技术中通过在化学镀液中改善成分并在镀液中添加300mg/L的二联吡啶，抑制了铜颗粒的长大，使得镀层中铜颗粒粒度接近，镀层厚度更厚且更加均一，从而能够有效阻隔了铝基和短碳纤维的直接接触。3.镀铜短碳纤维在铝基的均匀性一直以来都是制备短碳纤维增强铝基复合材料的困难点。传统混粉工艺如球磨会导致短碳纤维镀铜层的破坏，本专利技术采用浆料混粉的工艺，并且采用超声细胞粉碎机将镀铜短碳纤维进行有效的分散，从而有效解决了短碳纤维分散性的问题。4.相比于其他短碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，放电等离子烧结的特性使得制备短碳纤维增强铝基复合材料的过程中具有烧结温度低、烧结时间短、升温速度快等优点。这些优点有效的减少了铝基和短碳纤维的接触的机会，并且SPS烧结中镀铜层一部分向铝基体扩散，从而形成良好的界面。5.在与同样制备方法制备的纯铝材料的性能对比中，短碳纤维增强铝基复合材料致密度为98.5％(纯铝材料致密度为98.5％)，硬度最高达到92.38Mpa(纯铝材料硬度49.37Mpa)，拉伸强度最高可达到202.05Mpa(纯铝材料拉伸强度为61.28Mpa)，抗弯强度最高可达到376.05Mpa(纯铝材料抗弯强度为115.63Mpa)，弹性模量最高可达到80.68Mpa(纯铝材料弹性模量为71.7Mpa)。综上，采用本专利技术方法所制备出的短碳纤维铝基复合材料，性能优越，能满足特殊场合的使用需求。附图说明图1为镀铜短碳纤维的显微组织形貌图；图2为短碳纤维铝基复合材料的显微组织形貌图；图3为短碳纤维铝基复合材料中短碳纤维与铝基的界面纤维组织形貌图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。实施例一预制备一种短碳纤维铝基复合材料，该材料中包括9wt％镀铜短碳纤维与91wt％的铝粉，其中，镀铜短碳纤维的长度为2～3mm，直径小于20μm，铜镀层的厚度为1um；铝为粒径为20～100um的铝粉。制备方法包括以下步骤：(1)将T-700原始短碳纤维放入箱式电阻炉中，在400℃条件下对碳纤维进行高温处理，并保温1h，随后炉冷至室温。用250ml体积分数为65％～68％的浓HNO3酸化3g脱胶短碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种短碳纤维铝基复合材料，其特征在于：包括质量百分数为3wt％～10wt％的镀铜短碳纤维，余量为铝。

【技术特征摘要】
1.一种短碳纤维铝基复合材料，其特征在于：包括质量百分数为3wt％～10wt％的镀铜短碳纤维，余量为铝。2.根据权利要求1所述的短碳纤维铝基复合材料，其特征在于：所述镀铜短碳纤维的长度为2～3mm，直径小于20μm，铜镀层的厚度为1um；铝为粒径为20～100um的铝粉。3.一种如权利要求书1所述的短碳纤维铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将短碳纤维依次经过去胶、粗化、敏化、活化、还原和干燥处理后，得待镀纤维；(2)对步骤(1)所得待镀纤维进行化学镀铜处理，得镀铜短碳纤维；在镀铜过程中以1ml/1.5min的量向镀液中添加40％NaOH溶液；镀铜温度为55℃～65℃，镀铜时间为40～45min；(3)将镀铜短碳纤维均匀分散到无水乙醇中，每隔1～1.5min取一次镀铜短碳纤维加入到处于持续搅拌状态下的铝粉浆料中，至镀铜碳纤维全部加入，继续搅拌2～2.5h，然后在60～65℃条件下进行真空干燥，干燥时间为2～2.5h，得混合粉末；其中，铝粉浆料为铝粉与无水乙醇按固液比为1:2～3混合后的产物；(4)对步骤(3)所得混合粉末进行放电等离子烧结，烧结温度为550～620℃，保温时间为7～15min，外加载荷为30～40Mpa；随后在200～220℃条件下时效处理16～20h，得到短碳纤维增强铝基复合材料。4.根据权利要求2所述的短碳纤维铝基复合材料制备方法，其特征在于，步骤(1)中短碳纤维处理的具体方法为：将短碳纤维加热至...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷霆，王禹，詹振翔，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43