[发明专利]用于生产碳纤维增强铝基体复合线材的方法和设备

说明书

本发明涉及一种通过连续的生产方法来生产碳纤维增强铝基体复合线材的方法和设备。

复合材料由至少两相组成，典型地是基体和第二分散相。铝基体复合材料是金属基复合材料最重要的族，这主要归因于Al的低密度、良好的耐腐蚀性以及相对高的生产体量和低的价格。铝基体复合材料可以用多种类型的分散相来生产，它们之一包括碳(元素碳)的不同改性，这些统一标示为Al/C复合材料。

每种复合材料基本上通过基体和分散相之间的附着能的强度来表征。两相间的附着力越强，复合材料中两种类型的相的相互作用越成功，和典型地复合材料的性能越好。在不易于实现良好的附着力的情况中，典型地通过一些机械装置来提供压力差，以在复合材料生产期间补充或者补偿附着力。但是，需要指出的是，尽管使用压力差允许使两相在一起，但是这并未在复合材料组分的界面处产生强的附着力，并且虽然看起来成功生产，但是该复合材料的性能预期将是不足的。因此，我们应当目标在于不使用压力来生产复合材料。复合材料的性能典型地随着分散相尺寸的降低而改进，因此，在我们的情况中随着碳纤维直径的降低。但是，随着尺寸的降低，使用高压力差用于将碳纤维束的纤维用熔融金属(基体材料)进行渗透的方法在连续方法中变得不太有效。

复合材料生产方法可以分为主要两组：间歇和连续方法。间歇或者静态方法可以用于生产较小的产品，在这种情况中预成型品决定了产品的形状和尺寸。连续方法可以用于生产用长碳纤维制成的线材、棒产品。很显然，连续生产方法相比于批次生产方法是明显更加经济有利的。

几种用于生产碳纤维增强铝基体复合材料的方法在文献中是已知的。

RossiR.C.等人[CeramicBulletin50，484-487(1971)]通过压力渗透生产了碳纤维/Al复合材料。它们呼吁关注清洁碳纤维表面的需要。

在1987年，GoddardD.M.等人[EngineeredMaterialsHandbook1，第867-873页(1987)]综述了现有技术的状况。技术上，只有碳纤维通过化学气相沉积(CVD)涂覆TiB₂，熔融铝可以在碳纤维之间渗透。这种方法很显然是非常昂贵的，并且由此生产的C/Al复合材料的市场缩小到航空航天工业。

KendallE.G.等人[US专利4,082,864，(1984)]如下生产长碳纤维增强铝基体线材：将金属硼化物涂层气相沉积到碳纤维表面上，和随后将由此制备的碳纤维浸没在金属基体材料的熔融浴中。

RohatgiP.K.等人[Z.Metallkunde82，763-765(1991)]在用熔融Al渗透之前，用铜涂覆碳纤维。

XiaZ.等人[Metall.Trans.B.23B，295-302(1992)]通过可变的压力渗透来生产复合材料。碳纤维用Ni化学涂覆。

BlucherJ.T.等人[Mater.Sci.Eng.A387-389，867-872(2004)]通过在高压下(30-80bar)将碳纤维牵引通过熔融铝来生产复合材料。发现Al₄C₃相处于Al/C界面处，其体积可以通过降低接触时间来降低。没有表面处理时，他们不能以可再现方式生产C/Al复合材料。

BaumliP.[CompositesA44，47–50(2013)]如下检验了生产铝基体复合材料的可能性：通过静态(间歇)方法，使用熔融盐，通过将用作增强相的碳纤维切割成短的1cm片，并且将它们置于铝片和盐上。在他的实验中，通过这种方法，他成功地生产了每分批实验最大3-6g的少量的复合材料。成功关键是使用了含有K₂TiF₆的盐，其溶解在熔融的碱氯化物和氟化物盐中，这可能在熔融Al和碳纤维界面处产生了临时的TiC层。

JuhaszK.L.[Mater.-wiss.Werkstofftech.43，第4期，310-314(2012)]通过使用碘化钾(KI)作为主盐而开发了另一生产复合材料的静态方法。

OrbulovI.N.等人[MaterialsScienceForum659229-234.(2010)]通过压力渗透技术生产了碳纤维增强铝基体复合材料管。由含有约60vol％碳纤维的管制成的测试样本表现出高的比强度。

现有技术方法的共同要素是在每种情况中使用间歇(非连续)方法实现所述结果，在一些情况中是在高压下。

本发明的目标是开发一种方法，其允许通过连续生产方法经济地生产长碳纤维增强铝基体复合线材，而不使用压力差和搅拌。