[发明专利]一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法与应用，属于复合材料制备技术领域。本发明的制备方法通过羟乙基纤维素溶于水中形成的胶体为分散液，将表面改性的碳纤维与碳化硅颗粒均匀分散于铝粉中，再通过快速过滤胶体溶液得到三者混合均匀的粉体，然后通过粉末冶金的方法，将粉体热压成复合材料。该方法制备过程简单，制备的复合材料质地轻，抗拉、抗弯强度大，硬度也较高，能够很好应用于汽车发动机活塞、连杆上。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法。

背景技术

碳纤维具有低密度，高强度、高模量等特性，铝作为一种常用金属具有密度低，导电、导热性能好，断裂韧性高，抗腐蚀性能好等特点。将碳纤维应用于增强铝基体制备的复合材料具有轻质，高的比强度、比模量，耐腐蚀等特性。碳化硅具有高的硬度、高模量，低热膨胀等优点，在碳纤维增强铝基复合材料中加入一定量的碳化硅颗粒，能够进一步改善其性能，开拓碳纤维增强铝基复合材料的应用范围。碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料可应用于汽车发动机活塞、连杆，飞机上的货舱桁架，卫星导波管，天线骨架等领域。

在碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料制备过程中主要存在一些关键性问题，首先是碳纤维与碳化硅颗粒在铝基体中分散问题，碳纤维由于具有较大的比表面积和较高的长径比，导致纤维之间受较强范德华力影响，使得碳纤维很容易团聚且难于分散，碳化硅颗粒粒径一般为微米或纳米级，具有较高的表面能，在铝基体中也很难分散，其次碳纤维与铝基体存在着严重界面反应问题。羟乙基纤维素的水溶液能够形成一种胶体，这种胶体能够有效的分散碳纤维与碳化硅颗粒。碳纤维表面处理能够避免纤维与铝基体之间严重化学反应。

发明内容

本发明的目的通过胶体分散与过滤的方法，克服了碳纤维与碳化硅颗粒在铝基体中分散难的问题，制备出一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料制备方法与应用。

一种碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料的制备方法，步骤如下：

步骤1，对碳纤维表面进行处理；

步骤2，将处理好的碳纤维剪切为短纤维；

步骤3，将羟乙基纤维素溶于蒸馏水中，机械搅拌2-3小时，静置12小时待其稳定形成一种胶体；

步骤4，将短纤维置于胶体中，机械搅拌1-2小时，使短纤维均匀分散于胶体中，得A胶体；再将碳化硅颗粒和铝粉置于胶体中，搅拌1小时使其均匀混合，得B胶体；最后A胶体和B胶体混合，搅拌30分钟，混合均匀，其中，胶体的质量分数为78％-87％，铝粉的质量分数为10％-14％,碳化硅颗粒的质量分数1.5％-4％，碳纤维的质量分数1.5％-4％；

步骤5，将步骤4得到的混合胶体置于过滤管中，控制混合胶体体积与过滤管总体积比为1:10-1:20，快速过滤掉胶体得到混合均匀粉体。

步骤6，将步骤5得到的混合粉体置于模具中，在真空条件下加压烧结，烧结温度600℃-700℃，所加压力10-30MPa，保温时间5-30min，得到碳纤维/碳化硅颗粒共增铝基复合材料。

步骤1中所述的碳纤维表面处理，为纤维表面电镀铜涂层、镍涂层或表面石墨化。

所述的碳纤维表面电镀铜涂层的电镀液：硫酸：120g/1L；五水硫酸铜：150g/1L；氯化铜：0.4g/1L；甲基紫：0.03g/1L；聚二硫二丙烷磺酸钠：0.03g/1L；OP乳化剂：0.8g/1L；电流密度3A/dm²,电镀时间5min。

所述的碳纤维表面电镀镍涂层的电镀液：硫酸镍：150g/1L；硼酸：70g/1L，电流密度2A/dm²,电镀时间5min。

所述的碳纤维表面石墨化处理工艺为在真空条件下，在高温1500℃-2000℃对碳纤维处理1-2小时。