[发明专利]一种高熵合金碳纤维增强复合材料及其制备方法

说明书

一种高熵合金碳纤维增强复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域，本发明的目的在于提供一种高熵合金碳纤维增强复合材料及其制备方法，该复合材料可综合利用高熵合金和碳纤维两者的优良性能有效提高复合结构的抗拉、抗压等力学性能，高熵合金碳纤维增强复合材料，包括高熵合金和碳纤维增强材料，所述高熵合金包括如下原子百分比的元素：Co：20%、Cr：20%、Fe：35%、Mn：20%和Ni：5%，所述碳纤维增强材料包括若干层二维编织的碳纤维布。相比于铝合金等传统合金，具有更高的屈服强度、良好的拉伸压缩塑性等性能。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高熵合金碳纤维增强复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料因具有较高的比强度和比刚度、较好的可设计性等众多优点，在航空、航天、机械、车辆工程等领域得到广泛应用。但是碳纤维增强复合材料只是靠环氧树脂等基体材料起着粘结和传递载荷作用，表现出低的损伤阻抗和损伤容限特征。碳纤维增强复合材料和金属层（主要是铝合金、钛合金等传统金属）复合构成“三明治”结构，这种夹芯结构具有轻质、高强度、抗冲击等优点，提供了比碳纤维增强复合材料薄板和合金薄板更优的力学性能，碳纤维金属夹芯结构得到广泛的应用。

传统合金设计理念认为，合金组元过多将导致在组织中形成金属间化合物等多种复杂的微结构，从而使材料难以进行分析和加工。因而现有合金的设计都是基于一种或两种元素作为主要组元，同时添加少量其他元素以改善其组织与各项性能。2004年，台湾学者叶均尉率先突破了传统的合金设计模式，提出了新的合金设计理念，这就是“多主元高熵合金”（简称“高熵合金”），高熵合金是21 世纪金属材料领域中的重大发现之一。所谓多主元高熵合金是指包含多种主要元素的合金，这种新型合金一般由五种或五种以上的合金元素以等原子比或近似等原子比组合而成。由于高熵合金具有高的混合熵，在铸态条件下能形成简单的FCC(面心立方)或BCC(体心立方)固溶体、非晶甚至纳米晶。其独特的合金设计理念导致高熵合金往往具有简单的超级固溶体结构和优异的综合性能，如超高断裂韧性(200MPa.m1/2)，优异的抗疲劳、抗摩擦、抗腐蚀、抗冲击性能，潜在的高低温力学性能，这使得高熵合金极具成为新一代工程结构替代材料。目前的研究结果表明：高熵合金是一个可合成、加工、分析和应用的合金世界，极具工业发展潜力。

作为新型复合材料，高熵合金碳纤维增强复合结构比传统金属碳纤维夹芯结构具有更优异的性能，因此，研究和制备高熵合金碳纤维增强复合结构是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高熵合金碳纤维增强复合材料及其制备方法，该复合材料可综合利用高熵合金和碳纤维两者的优良性能有效提高复合结构的抗拉、抗压等力学性能。

本发明采用如下技术方案：

一种高熵合金碳纤维增强复合材料，包括高熵合金和碳纤维增强材料，所述高熵合金包括如下原子百分比的元素：Co：20%、Cr：20%、Fe：35%、Mn：20%和Ni：5%，所述碳纤维增强材料包括若干层二维编织的碳纤维布。

所述Co、Cr、Fe、Mn和Ni各金属的质量浓度均高于99.9%。

一种高熵合金碳纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步，按照摩尔比为20:20:35:20:5的比例，精确称量Co、Cr、Fe、Mn和Ni金属；

第二步，将配好的金属原材料放进高真空电弧熔炼炉内，在浓度为99.999%以上的氩气保护下将原材料反复熔炼5-8次，制得高熵合金铸锭；

第三步，利用电火花割机将高熵合金铸锭切割成薄片，所述薄片的长度为60mm，宽度为22mm，厚度为0.5mm，并对薄片进行电泳处理；

第四步，将碳纤维布和处理后的高熵合金薄片按照如下顺序放置：高熵合金薄片位于碳纤维布的上下面各一层，中间放置若干层碳纤维布，通入环氧树脂和固化剂，其质量比例为3:1，采用抽真空装置固化制备得到高熵合金碳纤维增强复合材料；