[发明专利]短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法及其装置

说明书

本发明短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法及其装置，涉及通过把纤维与熔融金属接触并通过快速凝固形成非晶复合材料的技术领域，该方法采用化学镀法改善碳纤维润湿性，通过铜模制备碳纤维预制体，进而用真空低压铸造法即喷铸法制备短切碳纤维增强非晶复合材料，克服了现有技术中增强纤维在基体中分散不均匀引起的纤维团聚现象或碳纤维与基体在界面处生成脆性相等界面组织的，以及仅适用于传统镁合金基体，无法实现较快的冷却速度并获得非晶态基体，无法针对需要真空熔炼的各种非晶合金基体制备非晶复合材料的缺陷。

技术领域

本发明的技术方案涉及通过把纤维与熔融金属接触并通过快速凝固形成非晶复合材料的技术领域，具体地说是短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法及其装置。

背景技术

碳纤维增强金属基复合材料由于具有高比强度、高比模量和良好的高温性能，因而在汽车、航空、航天诸多高技术领域引起广泛关注。随着航空科技的迅猛发展，各类碳纤维复合材料的用量在新型客机制造中的使用比例越来越高，展现出诱人的发展前景。传统的碳纤维增强金属基复合材料主要是以铝合金和镁合金这样密度较低、塑性好的合金为基体，但其强度低的弱点使复合材料的力学性能提升幅度受到了限制。同时，由于存在着制备工艺复杂、气孔率高、碳纤维分布不均匀、碳纤维与基体间的润湿性欠佳、不良界面反应导致界面结合的问题，碳纤维增强金属基复合材料的实测性能指标往往低于设计性能指标。这些问题多与复合材料的界面组织缺陷有关，因此控制界面反应、消除界面缺陷、优化界面微结构是碳纤维增强金属基复合材料的发展所面临的一个关键问题。

选择高强金属作为基体对于复合材料的强韧化设计具有重要意义。非晶合金不具备晶体中的位错和晶界一类传统塑性变形机制，导致其变形更困难，因此非晶合金的强度比相应晶态合金更高。以高强非晶合金为基体的碳纤维复合材料引起了国际材料界的重视。美国学者采用真空液相压力浸渗法制备了长碳纤维增强Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5(Vit1)非晶复合材料[C.P.Kim,R.Busch,A.Masuhr,H.Choi-Yim,W.L.Johnson,Processing of carbon-fiber-reinforcedZr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5 bulk metallic glass composites,Applied PhysicsLetters,2001,79(10):1456-1458.]，但是存在碳纤维与基体发生严重的界面反应，难以获得理想的塑性的缺陷。中科院金属所的学者将短碳纤维和非晶合金粉末在室温混合并冷压成毛坯后采用感应加热喷铸的方法制备了短切碳纤维增强Zr50.5Cu36.45Ni4.05Al9非晶复合材料[J.M.Liu,H.F.Zhang,X.G.Yuan,H.M.Fu,Z.Q.Hu,Synthesis and properties ofcarbon short fiber reinforced ZrCuNiAl metallic glass matrix composite,Materials Transactions,2011,52(3):412-415.]，实现了复合材料的强化，但存在没有明显改善其塑性的缺陷。澳大利亚学者选用与碳化学亲和力更低的镁基非晶合金为基体，采用过冷液相区扩散成型的方法制备了长碳纤维增强Mg65Cu25Y10非晶复合材料[K.F.Shamlaye,K.J.Laws,M.Ferry,Supercooled liquid fusion of carbon fibre-bulkmetallic glass composites with superplastic forming properties,ScriptaMaterialia,2016,111:127-130.]，发现基体与碳纤维没有明显的界面反应并实现了复合材料抗弯强度的提升，但其依然存在没有显著提高其塑性的缺陷。上述研究报告表明，对于碳纤维增强非晶复合材料而言，控制界面润湿性和界面反应是一个关键问题，选用适当的基体合金和妥善的碳纤维表面改性方法调控复合材料的界面组织结构是一种可行的制备策略。CN101956148B公开了一种双重复合高强韧块体非晶合金及其制备方法，使用石英管或者不锈钢管作为增强纤维的容器，经过熔融金属液体压渗后采用淬火水冷的方法获得含有非晶相的复合材料。然而，这种方法存在冷却速率较低，难以达到100K/s以上，无法针对更多的非晶合金体系制备复合材料的缺陷。CN101250677A公开了一种二氧化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料，该复合材料主要由基体镁合金和具有TiO₂涂层的碳纤维组成，碳纤维表面TiO₂涂层由溶胶凝胶法制得，镁合金原料通SF₆和CO₂混合气体保护，升温至700℃使合金熔化，将具有TiO₂涂层的碳纤维预热到400℃，放置在预热到200℃金属模具中，将熔化的合金液浇铸到金属模具中，在压力下成型，挤压压力为10MPa，保压时间60秒，得到TiO₂涂层碳纤维增强镁基复合材料，其存在该方法仅适用于传统镁合金基体，无法实现较快的冷却速度并获得非晶态基体的缺陷。CN111155038A公开了一种短切碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，该方法使用溶胶凝胶法在碳纤维表面制备氧化物涂层，其存在合金的含氧量高而不利于复合材料基体结构的非晶化，短切碳纤维预制体的制备工序复杂，采用挤压铸造和热挤压的方法不适用于需要快速凝固技术的非晶复合材料的制备的缺陷。CN108385040B公开了一种短切碳纤维增强镁铝基复合材料及其制备方法，其存在没有对短切碳纤维进行表面改性，故碳纤维与金属液体间的润湿性较差，不利于复合材料的成型，当金属液体与碳纤维反应活性较大时，将加剧界面反应，破坏复合材料界面结构和力学性能的缺陷。上述现有技术还存在仅仅针对镁铝合金基体，无法针对需要真空熔炼的各种非晶合金基体制备非晶复合材料的缺陷。