[发明专利]一种连续纤维增强金属基复合材料型材的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强金属基复合材料型材的制备方法。

二、背景技术

材料是社会进步的物质基础和先导。对材料性能提出了越来越高，越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料已越来越不能满足实际需要。复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料可经过设计，即通过对原材料的选择、各组成成分分布和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能。与传统的弥散强化或沉淀强化相比，在连续纤维增强复合材料承受载荷时，基体起传递载荷的作用，纤维为主要承力组元，因此显著提高了材料的抗张强度。特别是以碳纤维为代表的连续纤维性能的不断提高和价格的不断下降，连续纤维增强金属基复合材料也越来越受到重视。此外，连续纤维增强金属材料也可以增强材料的弹性模量，充分发挥增强纤维高模量的特点。采用纤维来增强金属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。

制备连续纤维增强金属基复合材料的方法可以归纳为固相法和液相法两大类。为了得到性能优异且满足各种需要的特种复合材料，根据复合材料不同组元以及复合材料本身的性能特征，常用的制备方法主要有挤压铸造法、连续浸渗法、真空低压浸渗法、真空吸铸法、扩散结合法等。但传统的制备方法都有其缺点。

1997年日本朝倉書店出版的《複合材料の事典》一书中宮入裕夫等人对挤压铸造法的制备工艺及其优缺点进行了阐述。挤压铸造法挤压铸造是将纤维与粘结剂制成的预制体放在模具中加热到一定的温度，将熔融金属注入模具中，迅速合模加压，使液态金属在压力作用下浸渗到预制件中，冷却后得到连续纤维增强金属基复合材料制品。挤压铸造制备连续纤维增强金属基复合材料的工艺简单，通过增大基体的浸渗压力使得基体对碳纤维的填充更充分，同时可以减少材料内部的铸造缺陷。但是，由于制备压力大，容易造成增强体损伤和预制块变形，因此对纤维预制件的刚度等有一定的要求，并且模具设计也比较复杂。

连续浸渗法是使单束的纤维通过熔融金属浴，将金属液填充到纤维束间，然后挤出多余的金属液，并同时进行凝固，实现碳纤维与金属基体的复合化，从而获得纤维增强金属基复合丝—线材。这种复合丝是一种复合材料的预制品，还需要经过二次加工才能得到所需的复合材料。

真空低压浸渗法是将纤维预制体和金属基体放在模具中，抽真空、并加热到金属基体的熔点以上，注入惰性气体，并保持压力一段时间；在惰性气体的压力作用下，液态金属缓慢深入到碳纤维预制体中。

2006年出版的《Journal of Materials Processing Technology》第175卷杂志 “Fabrication technology and material characterization of carbon fibre reinforced magnesium”(218―224页)一文中W. Hufenbach等利用该法在730℃、30MPa、15min的条件下制备了C_f/Mg复合材料。真空低压浸渗法可以制备各种复杂形状的连续纤维增强金属基复合材料，比挤压铸造法使用的压力低，预制体的变形量小，且能减少气孔、疏松和缩孔等铸造缺陷，但对设备要求较高、且生产周期长。

扩散结合法是最早成功地用于制造C_f/Mg复合材料的制备方法。2005年出版的《高科技纤维与应用》第30卷第5期杂志中“碳纤维的发展及其应用现状”(24-30, 40页)一文中黎小平等对扩散结合法进行了介绍。将复合丝切成所需长度，拉直后用粘合剂粘在一起做成复合带，该粘合剂在升温时会热分解且不留残余物。将复合带与镁箔(0.089mm)交替叠放做成复合材料坯料，放入真空容器中，加热到适当温度（482°C-538°C）后加压（14-69MPa）并保压一定时间。该工艺也可用于对离子镀膜、喷镀、电镀涂层碳纤维进行二次加工。扩散结合法是通过控制时间、温度和压力使复合丝压缩变形紧密接触、然后通过扩散使复合丝结合可方便地控制碳纤维取向和体积分数。但是扩散黏结所需要的时间长，在高温和高压条件下生产成本较高。

热轧法也是一种通过压实和结合来制造低成本复合材料薄板的热等温轧制过程。将连续纤维制成的复合丝与金属箔交替铺设在一起，再经过热等温轧制过程可以制备复合材料薄板。该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。