[发明专利]一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，具体涉及一种康复器械用轻质高强耐蚀以铝或铝合金为基体的碳纤维增强复合材料及其制备方法。

背景技术

我国巨大的人口基数将使老龄化和残疾人问题在未来十年内成为严重的社会问题。2012年，我国肢体残疾2472万人，仅23.3%左右的残疾人得到康复服务，主动要求配置康复器具占38.56%，实际配置康复器具只占7.31%。大力发展康复器具，减轻家庭护理负担，是我国面临的艰巨任务。随着人们对康复器械的要求也越来越高，康复器械要求轻质、耐用、便携。目体外用康复器械多为钢制，重量大、易锈蚀、应力集中并引起金属疲劳，解决钢制康复器械现存的诸多问题以达到轻质、便携、抗震、耐蚀、抗疲劳等要求就需要用新型材料替代。碳纤维有多种优异的性能特点，如：低比重、高强度和高模量；耐高温、耐摩擦、耐腐蚀和耐疲劳；振动衰减性高、电与热传导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高，且为非磁性材料，并有着很强的电磁遮蔽性等等，尤其在具备很高强度的同时还能呈现出良好的刚性；并且在高性能纤维行列中，有着最高的比强度（强度/密度）和比模量（模量/密度）。铝基复合材料由于具有质量轻、耐磨性好、价格低等优点，被普遍认为是一种较理想的结构材料。增强铝基复合材料是由铝合金基体和高性能增强体复合而成的一种高技术新材料。将碳纤维和铝合金两者有机结合，把性能优异的碳纤维与技术成熟且廉价的铝合金复合，开发出可应用在康复器械上的碳纤维铝基复合材料，既能降低开发的技术难度，又能通过碳纤维与铝合金的有效复合制作的材料用于康复器械上达到轻质、便携要求。由于碳纤维增强铝基复合材料具有良好的综合性能，其比强度高于传统的铝合金，比模量甚至超过钛合金，可以用作高强、轻质、便携康复器械的结构材料，提高结构安全性或优化结构设计。在提高康复器械稳定性、安全性的基础上进一步实现其轻量化，具有实际的社会意义跟实际使用价值，且拥有广阔的市场前景。采用纤维来增强铝基体通常具有高比强度、高比模量、高的韧性、疲劳性能及抗冲击能力好；良好的耐热、耐磨、和阻尼性能；不老化、不吸湿、防燃等特点，成为各国高新材料研究开发的重要领域。

但是，现有的增强铝基复合材料还不够轻量化，减震性不够强，其强度和塑形不够高；而且，目前制备增强铝基复合材料常用的方法主要是挤压铸造法、连续浸渗法、真空低压浸渗法、真空吸铸法、热压扩散粘结法等。但传统的制备方法都有其缺点：(1)挤压铸造法，由于制备压力大，容易造成增强体损伤和预制块变形，因此对压力以及纤维预制件的刚度等有一定的要求，并且设备和操作以及模具设计也比较复杂。(2)真空低压浸渗法，工艺复杂、制件小，对设备要求较高、且生产周期长，工业化大规模生产大型复合材料制品不容易实现。(3) 热压扩散粘结法，只适用于制造形状简单、尺寸较小的零件，且在扩散黏结时所需要的时间长，在高温和高压条件下生产成本较高。(4)热轧法要求在真空或惰性气体保护下进行加工，对设备和工艺都有很高要求。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种生产成本低廉、适合工业化连续生产的碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述碳纤维增强铝基复合材料由如下重量百分比的组分组成：

Cu 0.15～0.3%

Mn 0.1～0.17%

Mg 2.1～2.5%

Zn 0.02～0.07%

Cr 0.04～0.25%

Ti 0.22～0.33%

Si 0.4～0.8%

Fe 0.15～0.3%

碳纤维：5.12～6.81%

余量为Al。

上述碳纤维增强铝基复合材料的方法包括如下步骤：

（1）将碳纤维加热至445～485℃，保温40～50min后冷却至室温（20～30℃）；将冷却后的碳纤维浸入23～27g/L的SnCl₂中10～15min进行敏化，将敏化后的碳纤维浸入40～45%的HNO₃中煮沸30～40min进行氧化；用离子水冲洗氧化后的碳纤维至洗液PH为6.5～7.5，然后将碳纤维于120～150℃条件下真空干燥1～2小时；

（2）对经步骤（1）处理后的碳纤维进行电镀铜或化学镀铜；所述电镀铜或化学镀铜均为本领域常规技术手段；