[发明专利]一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料技术领域。本发明通过气相氧化法，在臭氧氛围内，制备表面粗化的碳纤维，气相氧化法使碳纤维的表面增加活性官能团，同时增加其表面粗糙度，本发明采用的气相介质为臭氧，用臭氧对碳纤维进行氧化，其工艺参数易于控制，氧化处理后的效果明显，由于臭氧具有很较短的半衰期，极其容易分解，分解后的氧原子会和碳纤维表面的不饱和碳原子发生化学反应，生成一些含氧基团，可以有效提高碳纤维的表面粗糙度和表面活性，从而可以提高铝熔体对碳纤维的润湿能力，改善两者之间的渗浸度，减少脆性碳化物碳化铝的生成，提高碳纤维增强铝基复合材料的致密性和力学性能。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料技术领域。

背景技术

碳纤维增强铝基复合材料是一种轻质、高强的结构材料。当采用编织状碳纤维作为增强相的添加形式时，材料能够得到更具针对性的二维强化效果，使之在飞机、汽车蒙皮以及压力容器等领域具有广阔的应用空间。

然而，编织布内部的碳纤维由于彼此之间的严格约束，其相对位置无法发生自由移动，呈现出密集的排列方式。在碳纤维化学镀镍过程中，该分布方式制约了碳纤维与镀液之间的充分接触，降低了镀液的稳定性，大大提高了镀覆效果对工艺条件的要求。在复合材料的制备过程中，为使熔体在碳纤维分布不被破坏的情况下对其实现充分渗浸，复合过程往往需要在密闭模具内通过施加压力的方式进行。其生产效率低，制备成本髙，且复合材料样品严格受到设备规模以及模具尺寸的限制。

碳纤维增强铝基复合材料按照增强相形式的不同，可以分为非连续短碳纤维增强铝基复合材料、连续单向碳纤维增强铝基复合材料以及连续编织状碳纤维增强铝基复合材料三种主要类型。

非连续短碳纤维增强铝基复合材料内部的纤维尺寸一般在微米到毫米级别，这使得其在制备过程中具有更为优异的可操控性：在化学镀覆过程中可以通过超声搅拌、机械搅拌等方式实现碳纤维与镀液的充分接触，提高纤维的表面金属化效果；在铸造复合过程中，可以采用机械搅拌、电磁搅拌、以及离心搅拌等多种工艺使碳纤维在熔体中达到均匀分散；在固态复合过程中，则可以通过球磨混粉+粉末冶金的制备技术实现高比例增强相的添加。该类复合材料还具有各相同性，性能均一，制备成本低廉的特点。因此，非连续短纤维成为碳纤维增强铝基复合材料中应用最为广泛的增强相形式。但由于纤维尺寸较小，复合材料中不可避免的引入大量的纤维断口与基体的结合界面，增加了材料对变形的敏感程度，降低了碳纤维的强化效率。

连续单向碳纤维增强铝基复合材料内部的纤维呈单向、连续、直线分布。由于碳纤维仅在其长度方向上具有极高的强度，因此，该分布方式能够最为充分的发挥纤维自身的取向强化优势，使强化效率达到最高。然而，为克服碳纤维柔软、纤细的特点，保证其在基体中的单向直线分布，在纤维表面处理以及复合材料制备的过程中不但不能够对其施加搅拌，往往还需要采用制备预制件的方法将碳纤维的分布进行预先固定，这使得单向连续碳纤维增强铝基复合材料的制备难度明显高于短碳纤维增强铝基复合材料。同时，该类复合材料的应用范围也更加具有针对性，仅适合服役于主要在单一方向上受力的环境，如管材、棒材、线材等。

连续编织状碳纤维增强相是在连续单向碳纤维的基础上，针对具体的服役环境，对碳纤维进行编织处理，该方式能够更加充分的发挥复合材料可设计性的特点，扩展碳纤维复合材料的服役范围。与连续单向碳纤维相同，连续编织状碳纤维在其表面处理以及复合成型的过程中不能够进行剧烈的搅拌以及大的塑性变形处理。此外，由于编织状增强相内部的纤维彼此之间具有明显的约束，也无法通过制备预制件的方式对碳纤维进行分散，其制备难度较连续单向碳纤维增强铝基复合材料更高。

以上三种不同形式的碳纤维，其对铝基体的强化机制基本相同，主要包括以下几种：复合强化、界面强化、析出强化、剥落保护、热错配强化。