[发明专利]一种改性碳纤维增强镁基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于轻金属材料领域，涉及一种镁基复合材料，具体为一种改性碳纤维增强镁基复合材料及其制备方法。

背景技术

连续纤维增强金属基复合材料是利用高强度、高模量、低密度的硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳纤维与石墨纤维等作为增强体，与相应的金属基体复合而成。其中增强纤维绝大多数情况下是作为承载组分，而金属基体主要起粘结纤维、传递载荷、部分承载的作用。由于性能优良的连续纤维加入，使得复合材料具有轻质，比强度、比模量高，耐磨性强，耐高温性能好，导电、导热性好，抗疲劳，抗老化等优良的综合性能，在先进武器、航空航天等领域有着广阔的应用前景。目前国内外研究机构和学者对连续纤维增强金属基复合材料进行了大量的研究。

镁基复合材料的主要特点是密度低，比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；但由于工艺复杂、价格昂贵，目前主要应用于航天及航空部门。镁合金常用的连续增强体有碳纤维、硼纤维、三氧化二铝纤维、铝钛纤维、钛纤维等。

碳纤维和镁合金基体的润湿性较差，使其在成型与制备上存在一定的难度。制备碳纤维增强镁基复合材料需要解决的首要问题就是改善碳纤维与镁合金之间的润湿性，常用的最有效方法就是碳纤维表面涂层处理，利用溶胶-凝胶方法在碳纤维表面涂覆一层二氧化硅、化学镀镍等方式已经得到良好的实验验证。碳纤维增强镁基复合材料目前已经在航空航天的高精度空间结构材料、汽车工业以及军工制造等领域中显示出巨大的应用前景，主要用作航天器结构材料如卫星天线的桁架结构、航天站的安装板以及航天器的光学测量系统等。以上应用多采用单向碳纤维增强镁基复合材料。为了克服单向材料性能的各向异性等缺点，对二维织物结构镁基复合材料也进行了初步研究，获得了具有径向和纬向热膨胀系数对称的复合材料试样，但对其他性能未能进行深入研究。合金丝、氧化铝纤维增强镁基复合材料起步晚，目前只是处于实验室研制阶段。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了克服现有技术的缺陷，获得一种碳纤维与镁基复合材料之间润湿性良好，且镀镍等特殊处理的镁基复合材料，本发明提供了一种改性碳纤维增强镁基复合材料及其制备方法。

技术方案：一种改性碳纤维增强镁基复合材料，包含以下各组分，其质量分数百分比为：三氧化二铝3.2～7.9wt.％、碳纤维12.5～18.9wt.％、铜2.7～6.8wt.％、铁1.5～4.8wt.％、硅酸钠0.2～1.4wt.％、石墨2.1～7.6wt.％、硫酸铜1.2～5.6wt.％、硫酸镁0.9～2.5wt.％、余量为镁。

优选的，三氧化二铝的质量分数百分比为4.5～6.8wt.％。

优选的，碳纤维的质量分数百分比为15.6～17.2wt.％。

优选的，石墨的质量分数百分比为3.5～6.5wt.％。

优选的，镁元素与碳纤维的质量比大于5。

优选的，镁元素与铜元素的质量比大于30。

优选的，镁元素与石墨的质量比大于20。

一种改性碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，包含以下步骤：

(1)将硫酸铜和硫酸镁溶于1.2～3.5mol/L的硫酸溶液中，完全溶解后加入0.1～0.5倍体积的无水乙醇，混合均匀后加入碳纤维，超声处理2～4小时；

(2)将步骤(1)超声处理后的体系置于40～56℃的烘箱中，去除水分后收集固体粉末；

(3)将纯镁进行熔化，待其熔化一半时加入步骤(2)获得的固体粉末，在680～760℃内保温30～65分钟；

(4)添加三氧化二铝、铜、铁、硅酸钠和石墨后保温搅匀，在760～780℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置20～40分钟，再加入表面活性剂，在700～720℃撇去表面浮渣，得到镁基复合材料熔体；

(5)对镁基复合材料熔体进行重力铸造，得到镁合金铸件；将铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后即可制得改性碳纤维增强镁基复合材料。

优选的，固溶处理的温度为490～530℃，时间为5～16小时。

优选的，时效处理的温度为215～260℃，时间为20～48小时。

有益效果：(1)本发明所述改性碳纤维增强镁基复合材料具有密度低，比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能；(2)本发明所述改性碳纤维增强镁基复合材料的制备方法克服了碳纤维与镁基复合材料之间润湿性差的缺陷；(3)本发明所述方法制备工艺简单，成本较低。

具体实施方式