[发明专利]一种高界面强度的Cf/Mg复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于轻质结构材料领域，具体涉及一种高界面强度的C_f/Mg复合材料及其制备方法。

背景技术

C_f/Mg复合材料作为一种新型结构材料，与传统镁合金相比，具有轻质、高比刚度、高比强度等特性，引起各国研究学者的关注。与树脂基复合材料相比，具有不吸湿、不老化、耐空间粒子辐照、低热膨胀系数、尺寸稳定性好和良好的机械加工等优异性能。基于上述优点，其军用和民用背景十分广泛。

碳纤维与镁润湿性差，生成的镁碳化合物MgC₂和Mg₂C₃不稳定，超过427-727℃就发生分解，因此，制约该复合材料的瓶颈是碳纤维与基体镁合金的界面结合问题，尤其是增强体体积分数大于50％时，界面结合强度弱导致横向强度更低。现有的改善碳纤维与镁的界面结合的方法主要包括两种：纤维表面改性和基体合金化方法。纤维表面改性方法主要包括：化学气相沉积方法(CVD)、溶胶-凝胶法和表面化学镀法，涂层主要有SiO₂、Al₂O₃，TiO₂，Y₂O₃稳定ZrO₂，SiC、TiN、TiB、TiB₂、TiN和上述物质的复合涂层，以及热解碳涂层等，但是由于涂层的工艺过程复杂，试验条件苛刻，同时由于镁的活泼性，易于与涂层发生反应，破坏涂层结构的完整性。在合金化方面，研究最多的合金元素是Al，Al元素的存在，能改善镁基体和碳纤维的润湿性，同时会生成新的界面产物，Al₄C₃和Al₂MgC₂，同时Al元素在碳纤维表面富集，与Mg生成Al₁₇Mg₁₂金属间化合物，这些界面产物的存在改善了C_f/Mg复合材料的力学性能。然而，由于Al与碳纤维发生反应，会对纤维造成损伤，使得增强体的效能没有完全发挥出来，复合材料的强度极限和理论强度值差距很大。

发明内容

本发明是为解决现有C_f/Mg复合材料界面结合强度低的问题，而提供一种高界面强度的C_f/Mg复合材料及其制备方法。

本发明的一种高界面强度的C_f/Mg复合材料按体积分数由50％～65％的碳纤维和余量的镁钇合金制成；其中所述的镁钇合金按质量分数由1％～10％的纯钇和余量的纯镁制成。

本发明的一种高界面强度的C_f/Mg复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、利用纤维缠绕机将碳纤维均匀缠绕至纤维缠绕机的预制件模具上，得到碳纤维增强体预制件；

二、将纯镁置于熔炼设备中，在温度为650～750℃下进行熔炼，并在温度为650～750℃下将纯钇加入到熔炼设备中，然后升温至温度为800～900℃，并在温度为800～900℃搅拌至纯钇全部溶解，得到镁钇合金熔炼液；

所述的镁钇合金熔炼液中纯钇的质量分数为1％～10％；

三、将步骤一得到的碳纤维增强体预制件用压力机压入到成型模具的型腔内，在温度为600～700℃下加热成型模具使成型模具预热，然后将步骤二得到的镁钇合金熔炼液注入到有碳纤维增强体预制件的成型模具中，在温度为800～900℃和压力为10MPa～30MPa的条件下，保温保压10min～20min，得到纤维增强镁基复合材料；

四、将步骤三得到的纤维增强镁基复合材料以冷却速率为(5～10)℃/min随模具冷却至室温，然后脱模，再机械加工去除边缘多余的镁钇合金，得到C_f/Mg复合材料；

步骤四中所述的C_f/Mg复合材料中碳纤维的体积分数为50％～65％。

本发明的有益效果