[发明专利]一种电弧喷涂制备碳纤维增强铝基复合材料的方法

说明书

本发明涉及复合材料制备技术领域，一种电弧喷涂制备碳纤维增强铝基复合材料方法，包括如下步骤：将碳纤维置于真空环境中，于450℃热处理40分钟，以去除表面胶或污染物，再通过化学镀或磁控溅射方法在碳纤维表面制备铜镍层，从而得到材质均匀表面被铜镍包覆的碳纤维材料；将步骤1中获得的被铜镍包覆的碳纤维材料缠绕在金属基板上，然后用电弧喷涂方法、氩气作为压缩气体，将纯铝喷涂到被铜镍包覆的碳纤维材料上，形成铝包覆碳纤维；将步骤2中获得的铝包覆碳纤维放置到密闭的容器中，施加各向同等的30‑50MPa压力，同时施以100‑300℃加热，在高压和加热的作用下，铝包覆碳纤维得以进一步致密化，使复合材料的性能提高。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，一种电弧喷涂制备碳纤维增强铝基复合材料的方法。

背景技术

近年来，以金属为基体的复合材料快速发展，此类材料的比强度、比刚度、比模量、高温强度、热膨胀系数等性能要优于普通金属材料，同时还弥补了有机物为基体的复合材料在各个领域使用时存在的缺点，逐步成为了国内外高科技研究的重要组成部分。由于铝的抗氧化性、可加工性较好，比强度高，碳纤维具有较低的密度，较高的弹性模量以及高强度等优点，与铝合金相比，其优良的强度、刚度、导热等性能逐渐被大众熟知。因此，在过去的二十年中，人们对于碳纤维增强铝基复合材料的研究颇为广泛，许多生产企业开始重视这些在航空航天、汽车、电子工业中表现优异的性能。目前国外对碳纤维增强铝基复合材料已经有了丰富的研究成果，大量与连续碳纤维铝基复合材料、短碳纤维增强铝基复合材料相关的研究成果被记入文献。

但是在碳纤维增强铝基复合材料的研究与发展中还存在问题。首先，金属铝和碳纤维在一定温度下会发生化学反应，生成Al₄C₃，这种脆硬相会使复合材料界面结合过强，从而导致基体中的裂纹直接扩展到碳纤维中。其次，铝液在碳纤维上的润湿性较差，这两个因素都会极大的影响碳纤维增强铝基复合材料的性能。

国内外制备碳纤维增强铝基复合材料，例如中国专利：一种碳纤维表面电镀铜镍镶嵌式复合涂层制备方法及应用(公开号CN107794554A)通常使用粉末冶金法、真空压力渗浸法、挤压铸造法，这些加工方式通常伴随高温高压，并且操作流程比较复杂。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种电弧喷涂制备碳纤维增强铝基复合材料的方法，该方法可以快速制备铝涂层，在增强碳纤维和铝涂层润湿性的同时还减少了脆硬相Al₄C₃的生成，使复合材料的性能提高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种电弧喷涂制备碳纤维增强铝基复合材料方法，包括如下步骤：

步骤1、将碳纤维置于真空环境中，于450℃热处理40分钟，以去除表面胶或污染物，再通过化学镀或磁控溅射方法在碳纤维表面制备铜镍层，从而得到材质均匀表面被铜镍包覆的碳纤维材料；

步骤2、将步骤1中获得的被铜镍包覆的碳纤维材料缠绕在金属基体板上，然后用电弧喷涂方法、氩气作为压缩气体，将纯铝喷涂到被铜镍包覆的碳纤维材料上，形成铝包覆碳纤维；

步骤3、将步骤2中获得的铝包覆碳纤维放置到密闭的容器中，施加各向同等的30-50MPa压力，同时施以100-300℃加热，在高压和加热的作用下，铝包覆碳纤维得以进一步致密化；

步骤4、将多余的碳纤维和基板切掉。

作为优选的，在步骤1中，使用3K碳纤维。

作为优选的，在步骤1中，碳纤维热处理后进行预处理，所述预处理包括除油处理、粗化处理、中和处理、敏化处理、活化处理和还原处理，每一处理工艺之间均用清水冲洗。

作为优选的，在步骤2中，所述电弧喷涂方法中，喷涂电压24V，喷涂距离200mm，利用氩气在室温下进行喷涂，以提高整体复合材料的强度。