[发明专利]一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法在审
| 申请号： | 201910841517.6 | 申请日： | 2019-09-06 |
| 公开（公告）号： | CN110560694A | 公开（公告）日： | 2019-12-13 |
| 发明（设计）人： | 梁加淼;李晨光;谢跃煌;王俊 | 申请（专利权）人： | 上海交通大学 |
| 主分类号： | B22F7/04 | 分类号： | B22F7/04;B22F3/105 |
| 代理公司： | 31220 上海旭诚知识产权代理有限公司 | 代理人： | 郑立 |
| 地址： | 200240 *** | 国省代码： | 上海;31 |
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| 摘要： | |||
| 搜索关键词： | 烧结参数 放电等离子烧结 界面结合 烧结模具 纤维结构 放入 加压 连续纤维增强金属基复合材料 纤维增强金属基复合材料 放电等离子烧结炉 浸渍 复合材料体系 复合材料制备 液固界面反应 纤维布材料 金属材料 冲成圆片 金属熔化 烧结材料 性能下降 复合材料 纤维层 炉腔 制备 损伤 保证 | ||
本发明公开了一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，涉及复合材料制备技术领域，所述方法包括以下步骤：将纤维布材料和金属材料冲成圆片并层叠相间放入烧结模具中；设置烧结参数后将所述烧结模具放入放电等离子烧结炉炉腔中；启动放电等离子烧结程序烧结材料。本发明基于放电等离子烧结原理，通过控制烧结参数，使金属熔化并加压充分浸渍到纤维层中，在不破坏纤维结构的同时，形成良好的界面结合，避免高温及长时间加压/温导致的液固界面反应，有效防止纤维结构损伤及性能下降。本发明提供的方法可以针对不同复合材料体系的烧结参数进行精准、高效的控制，保证复合材料良好的致密度和界面结合，获得性能优异的纤维增强金属基复合材料。
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法。
背景技术
碳纤维、碳化硅纤维等具有高强度，高弹性模量以及出色的耐高温抗氧化等性能。由于其良好的综合性能，所以被广泛应用于增强聚合物，金属基和陶瓷基复合材料。以碳化硅纤维增强金属基复合材料为例，各种规格碳化硅纤维拉伸强度在3GPa以上，杨氏模量则在300GPa以上，远远超过任何材质的金属材料的强度和模量。根据复合材料增强的混合规则，在金属基体中加入一定比例的碳化硅纤维，在提高复合材料强度和模量的同时，还能减轻材料的重量，因此纤维增强金属基复合材料是制备轻质高强金属基复合材料的重要方法。纤维通常分为短纤维，长纤维和连续纤维。短纤维和长纤维对金属基体的增强作用通常体现在应力承载，而连续纤维对金属基体的增强作用除了应力承载之外，贯穿整个样品的连续纤维会直接受力而起到进一步的强化作用，引起人们广泛关注。
连续纤维增强金属基复合材料的制备方法主要分为液相法和固相法两大类。液相法主要是将熔化的金属液体，在惰性气氛保护的情况下，通过施加压力使金属液体浸渍并填充纤维的缝隙，形成良好的界面结合。液相法通常包括液态渗透法和压力铸造法。主要缺点是：(1)需要大规模的设备进行熔融金属液体的制备以及纤维的浸渍；(2)由于需要高温且长时间的浸渍过程，纤维/金属界面反应很难控制，极易导致纤维性能下降甚至失效。固态法是不经过熔化而直接将纤维与金属进行复合的方法，通常包括箔-纤维-箔法，纤维涂层法和等离子喷涂法等等。固相法的主要缺点是：(1)纤维分布难以均匀；(2)界面结合不佳，容易产生开裂。
已有研究报道显示，界面结合强弱是影响连续纤维增强金属基复合材料性能的关键因素。因此如何保证良好的界面结合，同时又尽量防止纤维与金属基体的过度反应而造成的破坏，是制备纤维增强金属基复合材料的关键。对复合材料界面结合的研究，可以从纤维的表面改性、界面反应和界面强度等方面入手，解决界面薄弱性或界面过度反应的问题。传统的纤维表面处理的方法中或多或少的存在一些缺点，比较集中的缺点是改性程度难以控制、只停留在实验室阶段而不适用于连续化生产以及引入新的工艺流程所增加的设备成本和能耗成本。因此在实际生产过程中，对纤维的表面改性并不是首选。所以界面反应和界面强度的控制就成为了制备连续纤维增强金属基复合材料的重点和难点。现如今常用的液相法很容易造成界面的剧烈反应从而大大降低纤维本身和纤维/金属基体界面的强度，而固相法则通常由于界面反应太弱而导致界面强度不能达到要求，从而复合材料整体的强度较差。因此寻找一种能够有效控制界面反应和界面结合强度的制备方法，是解决这一问题的有效途径。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型、简便、精准、高效的连续纤维增强金属基复合材料的制备工艺，利用放电等离子烧结原理，通过调控烧结温度使得金属基体部分熔化并具有流动性，然后通过合适的烧结压力使得具有流动性的金属基体充分浸渍纤维层且不会挤出模具而流失，最终通过控制保温保压时间来确保金属基体对纤维层的充分浸渍，形成良好的界面结合且不会严重破坏纤维的结构，通过对烧结温度、烧结压力和保温保压时间的综合控制，获得性能优异的纤维增强金属基复合材料。
发明内容
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