CN102642011A - 一种碳纤维布-铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

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刘金旭
骆雨萌
李树奎
王迎春
王星
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Abstract

本发明公开了一种利用铜包覆碳纤维布后浇铸铝合金而得到的碳纤维布-铝合金复合材料及其制备方法。该方法的具体步骤是：步骤1、碳纤维布预处理；步骤2、碳纤维布包覆铜：利用化学镀或电镀的方法将铜包覆于碳纤维布表面；步骤3、制备浇铸模具：制作时需按碳纤维布在铝合金内的排布要求进行制作；步骤4、熔炼铝合金并浇铸，最终得到需要形状的碳纤维布-铝合金复合材料。本发明制备的碳纤维布-铝合金材料复合良好，铝合金成分可调，碳纤维布的分布可控。该复合材料具有高的比模量，同时具有低密度及高的比强度，适用于建筑领域及防护领域。

Description

一种碳纤维布-铝合金复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维布镀铜和金属复合材料的制备工艺，属于冶金技术领域，尤其涉及一种碳纤维布-铝合金复合材料的制备方法。
背景技术
碳纤维布-铝合金复合材料由具有高比强度的铝合金和具有高比模量、抗拉伸的碳纤维布复合而成，具有密度低、比强度高、抗拉伸及比模量高等优点。其力学性能可通过调整碳纤维布在铝合金内的分布状态以及铝合金成分的控制进行一定范围内的调整。在建筑、军工等领域有着良好的应用前景。
现阶段的建筑材料内使用碳纤维布与金属材料复合时，多将其作为表面或作为夹层粘贴于金属之上。其特点是加工工序简单易控。但缺点在于这种复合材料结合力很低，在使用中容易发生脱抽，很难发挥出碳纤维布抗拉伸及抗剪切的优势。
铝合金因其高的比强度常用于防护领域。现阶段可制备出短碳纤维-铝合金复合材料，但对提高其抗剪切能力效果不显著且碳纤维的排布难以控制。
碳纤维布在加热到450℃以上会发生失重，而该温度无法达到铝合金的浇铸温度；且因其具有疏水性和表面惰性，与金属熔体湿润不良，无法直接通过浇铸法与铝合金复合。
本发明利用碳纤维布预处理后电镀铜或化学镀铜的方法先将其金属化，进而在铝合金的浇铸过程中与之复合，解决了碳纤维布与铝合金润湿不良、结合性差的问题。制成的材料具有高的比强度和比模量，成品的形状及其内部碳纤维布的分布、铝合金的成分均可控。
发明内容
本发明的目的在于克服碳纤维布难以复合入铝合金内且结合差的缺点，提供一种具有高的比强度、比模量且碳纤维布分布状态可控、铝合金成分可控的碳纤维布-铝合金复合材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：在碳纤维布表面通过镀铜使其金属化，提高了与液态铝润湿性的同时又防止在高温条件下发生失重。再在制作熔模的过程中对碳纤维布按要求进行排布，浇铸所需成分的熔融铝合金得到最终成品。
上述的具有高比强度和比模量的碳纤维布-铝合金的制备方法如下：
步骤1：根据对成品内碳纤维布的尺寸对其进行裁剪，在其边缘按需要打孔。再对其进行去胶、粗化、中和、敏化、活化、还原处理；
步骤2：采用电镀铜或化学镀铜的方法在碳纤维布表面施镀。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
步骤3：按所需成品的尺寸要求及其内部碳纤维布的分布要求制作熔模模壳。用机械方法将碳纤维布在模壳内进行固定；
步骤4：熔炼铝合金，按成分需要添加合金元素并扒渣，并使用铝膜包裹精炼剂进行除气，添加变质剂后搅拌调制浇铸温度后进行浇铸。冷却方法为空冷。
本发明相对于现有的通过粘贴获得碳纤维布-铝合金复合材料，其优势在于：
(1)在碳纤维布表面通过镀铜使其金属化，提高了与液态铝润湿性的同时又防止在高温条件下发生失重，使通过浇铸法获得碳纤维布-铝合金复合材料变为可行。
(2)通过浇铸法获得的碳纤维布-铝合金复合材料界面结合良好，不易发生脱抽，保证了材料的高比模量。
(3)碳纤维布在铝合金内的分布状态以及铝合金成分均可控制。
具体实施方式
以下结合四个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不能理解为对本发明技术方案的限定。一些不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明权利保护范围。
实施例1
1、将碳纤维布裁剪成10cm*10cm，边缘打固定用洞并应用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化，应用10％NaOH溶液中和、并使用SnCl2作为敏化液敏化、再经过成分为PdCl2和AgCl的活化液活化，最终在20g/L的次亚磷酸钠溶液浸泡碳纤维布1～3min以完成还原过程；
2、采用化学镀铜的方法对碳纤维布进行处理。镀液成分包含CuSO4，HCHO，NaKC4H4O6。镀液PH值为12.7，施镀温度60℃，施镀时间20min。为保持碳纤维布施镀过程中的平整，采用超声波振荡法对化学镀铜液进行均匀分散。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、以石蜡50％，硬脂酸50％(重量比)的配比制作熔模。模料熔化后保温70～75℃；蜡液温度不超过90℃；制蜡间温度18～27℃；蜡料温度45～48℃；压型温度20～25℃；压注压力0.1～0.3MPa；压蜡枪预热温度35～45℃；蜡模冷却水温度15～25℃；开型时间1min左右。熔模制作好后利用金属线将一块碳纤维布在其中进行固定；
4、按照A380铝合金成分(铜3.0～4.0、硅7.5～9.5、铝剩余)在熔融的铝内添加合金元素，再经过添加精炼剂除气、添加变质剂等步骤后，最终进行浇铸，空冷后获得成品。
实施例2
1、将碳纤维布裁剪成10cm*10cm，边缘打固定用洞并应用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化，应用10％NaOH溶液中和、并使用SnCl2作为敏化液敏化、再经过成分为PdCl2和AgCl的活化液活化，最终在20g/L的次亚磷酸钠溶液浸泡碳纤维布1～3min以完成还原过程；
2、采用电镀法对碳纤维布进行镀铜处理。镀液成分为使用的镀液成分为酒石酸钾钠10g/L、硝酸钾12g/L、乳化剂(OP-10)为0.4g/L。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、以石蜡50％，硬脂酸50％(重量比)的配比制作熔模。模料熔化后保温70～75℃；蜡液温度不超过90℃；制蜡间温度18～27℃；蜡料温度45～48℃；压型温度20～25℃；压注压力0.1～0.3MPa；压蜡枪预热温度35～45℃；蜡模冷却水温度15～25℃；开型时间1min左右。熔模制作好后利用金属线将一块碳纤维布在其中进行固定；
4、按照5083铝合金的成分(镁：4.0～4.9、锰：0.40～1.0、铝剩余)在熔融的铝内添加合金元素，再经过添加精炼剂除气、添加变质剂等步骤后，最终进行浇铸，空冷后获得成品。
实施例3
1、将碳纤维布裁剪成10cm*10cm，边缘打固定用洞并应用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化，应用10％NaOH溶液中和、并使用SnCl2作为敏化液敏化、再经过成分为PdCl2和AgCl的活化液活化，最终在20g/L的次亚磷酸钠溶液浸泡碳纤维布1～3min以完成还原过程；
2、采用化学镀铜的方法对碳纤维布进行处理。镀液成分包含CuSO4，HCHO，NaKC4H4O6。镀液PH值为12.7，施镀温度60℃，施镀时间20min。为保持碳纤维布施镀过程中的平整，采用超声波振荡法对化学镀铜液进行均匀分散。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、以石蜡50％，硬脂酸50％(重量比)的配比制作熔模。模料熔化后保温70～75℃；蜡液温度不超过90℃；制蜡间温度18～27℃；蜡料温度45～48℃；压型温度20～25℃；压注压力0.1～0.3MPa；压蜡枪预热温度35～45℃；蜡模冷却水温度15～25℃；开型时间1min左右。熔模制作好后利用金属线将多块碳纤维布以相互平行并保持一定间隔的排布方式在其中进行固定。
4、按照5083铝合金的成分(镁：4.0～4.9、锰：0.40～1.0、铝剩余)在熔融的铝内添加合金元素，再经过添加精炼剂除气、添加变质剂等步骤后，最终进行浇铸，空冷后获得成品。
实施例4
1、将碳纤维布裁剪成10cm*10cm，边缘打固定用洞并应用空气灼烧法除胶，再使用成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵的粗化液粗化，应用10％NaOH溶液中和、并使用SnCl2作为敏化液敏化、再经过成分为PdCl2和AgCl的活化液活化，最终在20g/L的次亚磷酸钠溶液浸泡碳纤维布1～3min以完成还原过程；
2、采用电镀法对碳纤维布进行镀铜处理。镀液成分为使用的镀液成分为酒石酸钾钠10g/L、硝酸钾12g/L、乳化剂(OP-10)为0.4g/L。取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
3、以石蜡50％，硬脂酸50％(重量比)的配比制作熔模。模料熔化后保温70～75℃；蜡液温度不超过90℃；制蜡间温度18～27℃；蜡料温度45～48℃；压型温度20～25℃；压注压力0.1～0.3MPa；压蜡枪预热温度35～45℃；蜡模冷却水温度15～25℃；开型时间1min左右。熔模制作好后利用金属线将一块碳纤维布在其中进行固定；
4、按照A380铝合金成分(铜3.0～4.0、硅7.5～9.5、铝剩余)在熔融的铝内添加合金元素，再经过添加精炼剂除气、添加变质剂等步骤后，最终进行浇铸，空冷后获得成品。

Claims (8)

1.一种碳纤维布-铝合金复合材料，其特征在于：碳纤维布分布于铝合金块体内，铝合金成分可调，碳纤维布分布可控，该复合材料是通过在碳纤维布表面化学镀铜后置于浇铸模具内进行铝合金浇铸的方法制备得到的。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于：铝合金的成分允许根据需要在熔炼时进行调整。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于：碳纤维布在浇铸所形成的铝合金块体内的分布位置、角度和数量允许在制备浇铸模具时进行调整。
4.如权利要求1所述的材料，其特征在于：碳纤维布表面有镀铜层。
5.如权利要求1所述的材料，其特征在于：所述材料是通过以下过程制备的：(1)根据对成品内碳纤维布的尺寸对其进行裁剪，在其边缘按需要打孔，再对其进行去胶、粗化、中和、敏化、活化、还原处理；
(2)采用电镀铜或化学镀铜的方法在碳纤维布表面施镀：取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
(3)按所需成品的尺寸要求及其内部碳纤维布的分布要求制作熔模模壳；用机械方法将碳纤维布在模壳内进行固定；
(4)熔炼铝合金，按成分需要添加合金元素并扒渣，并使用铝膜包裹精炼剂进行除气，添加变质剂后搅拌调制浇铸温度后进行浇铸；冷却方法为空冷。
6.如权利要求1所述的一种碳纤维布-铝合金复合材料的制备方法，其特征在于：(1)根据对成品内碳纤维布的尺寸对其进行裁剪，在其边缘按需要打孔，再对其进行去胶、粗化、中和、敏化、活化、还原处理；
(2)采用电镀铜或化学镀铜的方法在碳纤维布表面施镀：取出后用去离子水水洗15min，再在70～80℃的热风中干燥20min；
(3)按所需成品的尺寸要求及其内部碳纤维布的分布要求制作熔模模壳；用机械方法将碳纤维布在模壳内进行固定；
(4)熔炼铝合金，按成分需要添加合金元素并扒渣，并使用铝膜包裹精炼剂进行除气，添加变质剂后搅拌调制浇铸温度后进行浇铸；冷却方法为空冷。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
(1)对碳纤维布进行预处理时，去胶过程采用的是空气灼烧的方法；
(2)对碳纤维布进行预处理时，粗化液成分为硝酸、重铬酸钾、双氧水和过硫酸铵；
(3)对碳纤维布进行预处理时，中和过程采用了10％NaOH溶液；
(4)对碳纤维布进行预处理时，敏化过程应用了SnCl2作为敏化液；
(5)对碳纤维布进行预处理时，活化过程选用了PdCl2和AgCl为活化液； 
(6)对碳纤维布进行预处理时，还原过程使用20g/L的次亚磷酸钠溶液浸泡碳纤维布1～3min；
(7)对碳纤维布进行镀电铜时，镀液成分为酒石酸钾钠10g/L、硝酸钾12g/L、乳化剂(OP-10)为0.4g/L；
(8)对碳纤维布进行化学镀铜时，镀液成分为CuSO4，HCHO，NaKC4H4O6，镀液PH值为12.7，施镀温度60℃，施镀时间20min；或使用成分为CuSO4·5H2O，EDTA，KNaC4H4O6·4H2O，NaOH，HCHO，2，2′2联吡啶，K4Fe(CN)6·3H2O配成的镀液施镀；为保持碳纤维布施镀过程中的平整，采用超声波振荡法对化学镀铜液进行均匀分散；
(9)熔模模壳的模料配比为：石蜡50％，硬脂酸50％(重量比)；模料熔化后保温70～75℃；蜡液温度不超过90℃；制蜡间温度18～27℃；蜡料温度45～48℃；压型温度20～25℃；压注压力0.1～0.3MPa；压蜡枪预热温度35～45℃；蜡模冷却水温度15～25℃；开型时间1min。
8.如权利要求5所述的碳纤维布-铝合金复合材料的制备方法，其特征在于：碳纤维布电镀铜层厚度为0.5微米，化学镀铜层厚度为4微米。 
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