一种连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术通过利用粉末冶金和3D打印技术的结合，通过制备碳纤维骨架来控制复合材料的基体成分和碳纤维在基体中的空间分布，避免了碳纤维出现的缠绕、打结以及团聚现象，实现了碳纤维含量、分布、排列可控，后压制烧结成型，充分的发挥了碳纤维优异的力学性能。制备的连续碳纤维增强金属基复合材料的力学性能、摩擦磨损性能优于现有的连续碳纤维增强金属基复合材料，具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景。

A preparation method of continuous carbon fiber reinforced metal matrix composites

【技术实现步骤摘要】
一种连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法
本专利技术属于金属基复合材料领域，具体涉及一种连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法。
技术介绍
金属基复合材料具有良好的导电导热性、优异的摩擦磨损性和延展性等优点。但一些金属基体力学性能较差，尤其是在高温环境下其强度、硬度等性能会急剧下降，因此通常会采取纤维强化来提高其力学性能。碳纤维具有高比强度、耐磨损、耐腐蚀、以及与金属相似的导电导热性等一系列优点。正是因为金属基复合材料和碳纤维各自良好的特性，人们期望在保留金属基复合材料优良性能的基础上，同时获得碳纤维优异的力学性能。但是，碳纤维在金属基体中容易因团聚造成孔隙、裂纹等现象出现，导致复合材料的物理、力学性能下降；其次，碳纤维与金属基体润湿性较差，由于在基体中容易拔出而无法充分发挥碳纤维优异的力学性能。例如，少量的碳纤维可以提高复合材料的硬度。但是，随着碳纤维含量的增加，碳纤维团聚现象明显，复合材料密度降低、强度下降、磨损量升高。这些制约因素对碳纤维增强金属基复合材料的进一步发展带来了局限性，如何解决碳纤维团聚问题，以及控制碳纤维排列方式，制备出高性能的碳纤维增强金属基复合材料是一个亟需解决的问题。
技术实现思路
针对现有碳纤维增强金属基复合材料存在的碳纤维团聚且无法在基体中定向、可控排列分布的问题，本专利技术提供一种连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法。本专利技术的目的是以下述方式实现的:一种连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，包括在经过预处理后的连续纤维表面化学镀铜，得到连续镀铜碳纤维，其特征在于：还包括以下步骤：步骤一、将连续碳纤维经过预处理后在其表面进行镀铜，得到连续镀铜碳纤维；步骤二、利用3D打印装置，将连续镀铜碳纤维制备成碳纤维骨架，得到至少一种空间定向排列分布的碳纤维空间骨架；步骤三、将不同粉末按照一定质量百分比混合均匀，混合时间为2-10h；步骤四、先将碳纤维骨架放入冷压模具中，再把混合均匀的金属粉末倒入模具中，金属粉末包裹在碳纤维周围，使连续碳纤维空间定向排列分布于胚体中，得到松装胚体；步骤五、将上述松装胚体置于冷压成型机中压制成型，得到压制胚体；步骤六、将所述松装胚体放入热压烧结机中烧结成型，得到至少一种碳纤维增强金属基复合材料。所述连续镀铜碳纤维的铜镀层厚度为0.1-10μm。所述步骤三中的混合粉末为金属粉末冶金的材料，其中，铜基摩擦材料包括Cu、Sn、Ni、Fe、Cr-Fe、SiO2、C、MoS2、WC等粉体，高熵材料包含Fe、Mg、Al、Ni、Mn、Ti等粉体。所述粉末组分以及各组分的质量百分比为：铜粉30-60%、铁粉10-30%、锡粉0-10%、镍粉0-10%、铬粉0-15%、铬铁合金粉0-15%、碳粉0-20%、二氧化钼粉0-10%。所述步骤二中的混合均匀的粉末尺寸为50目-300目。所述步骤五中的压制压力为80-600Mpa，压制速度为20-90mm/min，保压时间为20-90s。所述步骤六中，烧结时，炉膛内的真空度为-0.05MPa-0.1MPa；烧结气氛为还原气体或者惰性气体；烧结压力为0.3-0.5MPa；除胶保温温度为：300-400°C，除胶保温时间为：2-3h；烧结保温温度为：800-1200°C，烧结保温时间为2-5h。所述步骤二包括以下步骤：（1）利用三维制图软件画出所需的碳纤维骨架模型；（2）把上述模型把上述模型载入至切片软件中，通过分层、划分组件、生成路径，得到相应的代码；（2）将上述代码导入3D打印设备中，首先将连续镀铜碳纤维从碳纤维供应卷轴上引出，后通过两个橡胶轮进入盛有液态胶体的容器中附着胶体，附着上胶体后从主、从动辊中引入喷头后，从喷头打印在热床上，并通过加热在热床上制备成具有通过加热使其成为具有空间定向排列分布的碳纤维骨架。所述步骤（3）中的胶体为易除去的蜡料、天然树脂、塑料中任意的一种。相对于现有技术，本专利技术通过利用粉末冶金和3D打印技术的结合，通过制备碳纤维骨架来控制复合材料的基体成分和碳纤维在基体中的空间分布，避免了碳纤维出现的缠绕、打结以及团聚现象，实现了碳纤维含量、分布、排列可控，后压制烧结成型，充分的发挥了碳纤维优异的力学性能。制备的连续碳纤维增强金属基复合材料的力学性能、摩擦磨损性能明显优于现有的连续碳纤维增强金属基复合材料，具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术中连续碳纤维扫描电子显微镜照片。图2是本专利技术中连续碳纤维镀铜之后的扫描电子显微镜照片。图3是本专利技术中3D打印技术制备碳纤维骨架的工艺原理图。图4是本专利技术中实施过程的总体烧结曲线。图5是本专利技术中优选的烧结曲线。图6为本专利技术中实施例1中连续碳纤维骨架示意图。图7为本专利技术中实施例1中的烧结曲线。图8为本专利技术中实施例1中连续碳纤维骨架增强金属基复合材料结构示意图。图9为本专利技术中实施例2中的烧结曲线。图10为本专利技术中实施例2中连续碳纤维涡卷状骨架增强金属基复合材料结构示意图。图11为本专利技术中实施例3中弹簧状碳纤维骨架复合材料示意图。图12为本专利技术中实施例3中的烧结曲线。图13为本专利技术中实施例4中长方体型碳纤维骨架复合材料结构示意图。图14为本专利技术中实施例4中的烧结曲线。图15为本专利技术中实施例5中连续碳纤维竖直排列骨架示意图。图16为本专利技术中实施例5中的烧结曲线。图17为本专利技术中实施例5中连续碳纤维竖直排列骨架增强金属基复合材料结构示意图。图18为图6的主视图。图19为图6的俯视图。其中，1是步进电机；2是胶体；3是碳纤维骨架模型；4是碳纤维供应卷轴；5是连续碳纤维单丝；6是热床；7是喷头；8是主、从动辊。具体实施方式如附图1-19所示，本专利技术为一种连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将连续碳纤维经过除胶、清洗、中和、敏化、活化处理后在其表面进行镀铜，使铜镀层均匀、致密、完整的包覆在碳纤维表面，得到镀层厚度为0.1~10μm的连续镀铜碳纤维；步骤二、利用3D打印设备，通过在连续碳纤维长丝表面涂覆上胶体，将镀铜连续碳纤维打印在热床上，通过加热使其成为具有一定硬度的连续镀铜碳纤维骨架，使其在空间中定向排列分布。步骤三、根据实际需求将不同成分、配比的粉体放入混料机中进行一段时间的混合，混合时间为1~48h，得到混合均匀的混粉。步骤四、先将所述碳纤维骨架放入冷压模具中，再把所述混合均匀的粉末倒入模具中使混合粉末把碳纤维包裹其中，连续镀铜碳纤维成骨架状在胚体中空间定向分布，得到松装胚体。步骤五、将所述松装胚体放入冷压成型机中在一定的压力下压制成型，成型压力为5~200MPa，保压时间为0.5~30min，压制速度为10~100mm/min，得到压制胚体；步骤六、将所述压制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，包括在经过预处理后的连续纤维表面化学镀铜，得到连续镀铜碳纤维，其特征在于：还包括以下步骤：/n步骤一、将连续碳纤维经过预处理后在其表面进行镀铜，得到连续镀铜碳纤维；/n步骤二、利用3D打印装置，将连续镀铜碳纤维制备成碳纤维骨架，得到至少一种空间定向排列分布的碳纤维空间骨架；/n步骤三、将不同粉末按照一定质量百分比混合均匀，混合时间为2-10h；/n步骤四、先将碳纤维骨架放入冷压模具中，再把混合均匀的金属粉末倒入模具中，金属粉末包裹在碳纤维周围，使连续碳纤维空间定向排列分布于胚体中，得到松装胚体；/n步骤五、将上述松装胚体置于冷压成型机中压制成型，得到压制胚体；/n步骤六、将所述松装胚体放入热压烧结机中烧结成型，得到至少一种碳纤维增强金属基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，包括在经过预处理后的连续纤维表面化学镀铜，得到连续镀铜碳纤维，其特征在于：还包括以下步骤：
步骤一、将连续碳纤维经过预处理后在其表面进行镀铜，得到连续镀铜碳纤维；
步骤二、利用3D打印装置，将连续镀铜碳纤维制备成碳纤维骨架，得到至少一种空间定向排列分布的碳纤维空间骨架；
步骤三、将不同粉末按照一定质量百分比混合均匀，混合时间为2-10h；
步骤四、先将碳纤维骨架放入冷压模具中，再把混合均匀的金属粉末倒入模具中，金属粉末包裹在碳纤维周围，使连续碳纤维空间定向排列分布于胚体中，得到松装胚体；
步骤五、将上述松装胚体置于冷压成型机中压制成型，得到压制胚体；
步骤六、将所述松装胚体放入热压烧结机中烧结成型，得到至少一种碳纤维增强金属基复合材料。


2.如权利要求1所述的连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述连续镀铜碳纤维的铜镀层厚度为0.1-10μm。


3.如权利要求1所述的连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中的混合粉末为金属粉末冶金的材料，其中，铜基摩擦材料包括Cu、Sn、Ni、Fe、Cr-Fe、SiO2、C、MoS2、WC等粉体，高熵材料包含Fe、Mg、Al、Ni、Mn、Ti等粉体。


4.如权利要求3所述的连续碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述粉末组分以及各组分的质量百分比为：铜粉30-60%、铁粉10-30%、锡粉0-10%、镍粉0-10%、铬粉0-15%、铬铁合金粉0-15%、碳粉0-20%、二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊江磊，贾旭钢，王艳，周向葵，刘建秀，吴深，李莹，潘胜利，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41