[发明专利]一种铝基碳纤维增强复合材料的电磁脉冲成形装置及方法

说明书

本发明公开了一种铝基碳纤维增强复合材料的电磁脉冲成形装置及方法，包括坩埚容器、坩埚固定装置和碳纤维布，坩埚容器固设于坩埚固定装置上，碳纤维布设置于坩埚容器的中部，坩埚容器的两侧均设置有线圈，坩埚容器的内腔盛装有金属铝或铝合金熔体，两个线圈分布于碳纤维布的两侧。有效减缓了界面脆性相的生成提高复合材料的性能，纤维不易受到压力破坏，提高复合材料的成形质量，大大缩短成形的周期，使生产效率提高，更加适合大批量生产。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料加工设备技术领域，具体涉及一种铝基碳纤维增强复合材料的电磁脉冲成形装置及方法。

背景技术

随着现代科技的发展，单一性能的金属材料已经不能满足实际市场需求，研制综合性能更好的金属基复合材料一直是科学研究的热点。金属基复合材料(Metal MatrixComposite，MMC)是以具有优异性能的第二相作为增强体，以纯金属或其合金为基体材料的复合材料。目前增强体在金属基复合材料中的存在方式可分为颗粒增强、短纤维增强和连续增强三种形态。金属基复合材料综合了金属的塑性和韧性，同时集合了增强体具有的优异性能，弥补了金属材料单一性能的约束，满足了现代科技发展对于材料性能提出的新的要求。新开发的MMC也广泛应用于航天航空、汽车工业、电子光学、体育休闲等各个领域，成为具有科研价值和市场前景的新型材料。

对于金属基复合材料的研究最初于20世纪60年代，英国剑桥大学材料研究所的A.Kelly和W.R.Tyson研发了碳纤维增强铝基复合材料(Cf/Al复合材料)。而纤维增强铝基复合材料是在金属基复合材料的研究中综合性能最为突出以及市场需求最多的一种。碳纤维增强金属基复合材料可以针对不同的使用环境，选取不同的基体材料、增强体和增强体形态。其中连续增强金属基复合材料具有可高温作业、抗辐射及防火、不吸湿、不老化、不放气、导电性好、导热性能好等诸多方面的优点。目前用于复合材料的金属有铝、铜、钛、镍等，由于铝合金具有断裂韧性高等良好的综合性能，流动性相对较高，对纤维间隙填充结合成型能力强，及抗腐蚀性好，密度低，是目前材料轻量化趋势的最佳选择之一。作为增强相的纤维有硼纤维、碳化硅纤维、碳纤维及金属丝纤维等，硼纤维、碳化硅纤维的直径大(100-150μm)，复合性能好，复合材料制备工艺简单，但是纤维制备困难，价格昂贵；目前碳纤维可做到直径非常小，仅有几微米，生产量大，成本低，这种直径很小的碳纤维相比普通纤维具有高比强度和比刚度，极限强度已达到了7000-8000MPa，抗拉强度可达到普通碳纤维的两倍以上，拉伸率为2％，模量最高可达300GPa，因此能成为纤维增强相的最佳选择。市场使用率最高的就是连续碳纤维增强铝基复合材料，铝基复合材料具有密度小，抗疲劳性能好、比强度好、比模量高、抗冲击性能好、耐磨以及热膨胀系数小等优异性能，符合现代工业轻量化的需求，因而广泛应用于航空航天、汽车工业、电子行业，可用于制作航天结构材料，飞机零部件，汽车零部件，微波电路，微电子封装材料等，是目前发展最好的金属基复合材料之一。

Cf/Al复合材料目前常用的制备方法可分类为固态法和液态法。固态法是指增强相和固态金属基体复合制备得复合材料，但是工艺成本太高，对于设备的要求太高，主要有粉末冶金法、扩散粘接法等。液态法是指增强相和熔融金属基体复合制备得复合材料，主要有挤压铸造法、真空压渗法、无压浸渗法等。还有很多其他制造技术，例如原位自生成法、物理气相沉积法、化学镀和电镀以及复合镀等方法，由于其主要用于制备颗粒增强和短纤维作为增强相的复合材料的制备，不适用于连续碳纤维。由于Cf/Al复合材料的制备工艺复杂，周期长，成本高，效率低，而且碳纤维和熔融铝基体的相容性极差，同时碳纤维和铝在界面处高温下极易发生反应，生成AlC系列化合物，在界面处堆积，收到外力时形成应力集中，破坏了材料的的机械性能，同时复杂的工艺业限制了产品的结构和大小，只能作为制造较小结构件的复合材料，故研发低成本，效率高，工艺过程简单的Cf/Al复合材料是目前研究的重点。