[发明专利]一种碳纤维布-钛合金复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维布镀铜和金属复合材料的制备工艺，属于冶金技术领域，尤其涉及一种碳纤维布-钛合金复合材料的制备方法。

背景技术

钛合金因其高的比强度和优异的抗蚀性能，常应用于航空、武器、汽车和医学等领域。随着科学技术的发展，各个应用领域对钛合金材料性能的要求越来越高，材料不仅需要强度高、密度小、刚度大、塑性和韧性好，还需要具备良好的动态力学性能。但是仅通过钛合金材料很难满足以上要求，因此研究人员开始考虑制备力学性能优异的钛合金复合材料，碳纤维由于具有一系列优异性能而成为复合材料中主要的增强纤维。与钛合金材料相比，碳纤维增强钛合金复合材料具有良好的耐磨性能、耐高温性能、耐疲劳性能，以及更高的比强度和比模量，其构件质量小、刚性好、强度高，是航天、航空技术领域中理想的结构材料，未来有望应用于对材料性能要求极为苛刻的兵器领域。因此，制备出高性能的碳纤维-钛合金复合材料将具有很广阔的应用前景。

现阶段制备碳纤维与金属基复合材料时多采取简单的机械复合方式或直接将碳纤维用冶金方式与金属块复合。但是碳纤维表面光滑、惰性大、具有化学活性的官能团少，与钛合金基体间的化学相容性和物理相容性差，因此钛合金不能均匀覆盖于碳纤维表面并渗入到碳纤维的间隙之间，这样获得的复合材料结合力很低，在使用中容易发生纤维脱抽，很难发挥出碳纤维抗拉伸及抗剪切的优势。

利用SPS方法制备镀铜碳纤维布与钛合金的复合材料时，烧结温度在950℃以上，而碳纤维在空气中加热到350℃以上的高温时会发生不同程度的氧化失重，且钛合金与碳纤维易发生界面反应，产生大量脆性相Ti_xC。

铜与碳纤维具有很好的化学相容性，熔融状态下的铜既不与碳纤维产生化学反应，也不形成固溶体；通过电镀的方法可以在碳纤维表面形成均匀致密、结合牢固的铜镀层，且铜层与钛合金基体润湿性良好。

本发明利用碳纤维布预处理后电镀铜层方法先将其金属化，再通过SPS方法将其与钛合金快速复合。对碳纤维进行除胶及粗化处理，通过增加碳纤维表面的粗糙程度初步改善了碳纤维对钛合金的润湿性；复合前对碳纤维进行表面电镀铜层处理，铜作为过渡层起到了良好的界面润湿作用，进一步解决了碳纤维与钛合金润湿性差造成的结合性差的问题，并抑制了钛合金高温碳化反应和碳纤维高温氧化现象的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备性能优异的碳纤维布-钛合金复合材料的方法，克服碳纤维与钛合金润湿性差造成的结合性差的问题，并提高了碳纤维自身的耐热抗氧化能力。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：在碳纤维表面电镀铜层使其金属化，改善界面润湿性的同时提高了碳纤维与钛合金间的结合强度，还能抑制碳纤维在高温条件下发生氧化失重；然后按照需要裁切、排布碳纤维布与钛合金片，再进行放电等离子烧结最终获得成品。

上述结合良好、性能优异的碳纤维-钛合金的制备方法如下：

步骤1：按所需成品内碳纤维布的形状、尺寸和数量要求，裁剪一块或几块足够大的碳纤维布，再对其进行去胶、粗化处理，取出后用去离子水水洗3遍；

步骤2：采用电镀铜的方法在碳纤维布表面施镀，取出后用去离子水水洗3遍，再在80～100℃的热风中进行干燥；

步骤3：将钛合金以及镀铜的碳纤维布裁切成所需的形状、尺寸和数量，按照成品的要求分布于SPS模具中；

步骤4：将安装好的模具放置于SPS烧结炉中进行烧结。

本发明相对于现有的通过简单机械复合方法获得的碳纤维-钛合金复合材料，其优势在于：

(1)在预处理后的碳纤维表面上电镀铜层使其金属化，改善界面润湿性的同时提高了碳纤维与钛合金间的结合强度，还能抑制碳纤维在高温条件下发生氧化失重；然后按照需要裁切、排布碳纤维布与钛合金片，再进行放电等离子烧结，最终使SPS法制备性能优异的碳纤维布-钛合金复合材料变为可能。

(2)通过SPS方法获得的碳纤维-钛合金复合材料界面结合良好，具有良好的组织均匀性以及很高的致密度，不易发生纤维脱粘和拔出，保证了材料高的力学使用性能。

(3)通过改变电镀的电流密度、电镀时间和电镀温度，可以调整铜过渡层的厚度；通过改变镀铜碳纤维布和钛合金片的形状、尺寸及数量，可以得到所需要的产品。

附图说明

图1为碳纤维布镀铜后整体照片；

图2为镀铜碳纤维布与钛合金复合后整体照片；

图3为镀铜碳纤维布与钛合金复合后界面照片；

图4为镀铜碳纤维布与钛合金复合后界面局部放大照片。