CN103194698A

CN103194698A - 碳纤维增强锡基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103194698A
Application number: CN2013101338059A
Authority: CN
Inventors: 胡保全; 牛晋川; 徐璟; 胡文鑫
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2013-07-10

Abstract

碳纤维增强锡基复合材料及其制备方法，涉及金属基复合材料，解决目前采用碳纤维和基体金属锡制造复合材料的工艺，会造成碳纤维和基体不连续，不能充分发挥碳纤维增强作用的问题。本发明的复合材料组分与体积百分比为：碳纤维：30～35%，锡：65～70%。工艺步骤为：碳纤维预处理，电沉积锡、清洗、中和，电沉积锡，成型电沉积锡，坯料清洗、烘干，裁剪坯料放入模具，真空热压，随炉冷却。本发明利用三步电沉积法制备的C_f/Sn复合材料，不仅具有良好的力学性能，而且具有抗腐蚀、抗蠕变、抗咬合、耐疲劳和变形小的优点，可为轴瓦或其它耐磨用材提供更多的选择。

Description

碳纤维增强锡基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料，特别是碳纤维增强锡基复合材料（C_f/Sn）的制备工艺。

背景技术

碳纤维具有高强度、高模量、低密度、低热膨胀系数、导电、耐腐蚀、耐磨和减摩的优良性能，因此，碳纤维增强金属基复合材料得到广泛应用，其中应用之一就是用作高强度、减摩和耐磨损的轴瓦用材。

目前，常用轴瓦材料有三类，1）金属材料，如轴瓦合金（Sb-Sn、Cu-Sn合金）、铜合金、铝合金和铸铁等；2）多孔质金属材料；3）非金属材料。但没有一种材料具备轴瓦材料所需的全部性能。

Sb-Sn、Cu-Sn合金是传统的轴瓦材料，但其性能在一定程度上存在不足，例如其顺应性、抗咬合性等都很不好，特别是在高负荷下，其耐磨性能、抗疲劳性能往往不能满足使用要求。采用碳纤维来制造复合材料不仅可以提高基体的强度,还可以利用碳纤维良好的减磨性来改善基体摩擦磨损行为。

目前金属基复合材料制备工艺主要有：固态制造技术和液态制造技术。

固态法是指在制造金属基复合材料过程中，基体处于固态。由于固态法的制造温度低，所以金属基体与增强体之间的界面反应不严重。固态法包括粉末冶金法、挤压铸造法、热等静压法、轧制法、热挤压法和热拉拔法等。

在固态制造法中，由于碳纤维单丝直径小（6～8μm），市场上提供的连续碳纤维均呈束状（通常1000～3000根/束），如果采用粉末冶金法、挤压铸造法、热等静压法、轧制法、热挤压法和热拉拔法等方法来制造C_f/Sn复合材料会造成基体金属不能够包覆每根纤维，因此造成纤维和基体在复合材料中的不连续性，这样就不能充分发挥纤维的增强作用，因此以上采用的固态法不适合直径小的增强纤维。

液态法是指金属基体处于熔融状态下与固态的增强体复合的制造方法。使用液态法在制造（C_f/Sn）复合材料过程中存在如下问题：（1）由于锡和碳纤维之间浸润性差，会造成基体金属不能够均匀包覆每根纤维，因此，和固态法相似，会造成纤维和基体在复合材料中的不连续性，这样就不能充分发挥纤维的增强作用；（2）液态金属锡浸渍碳纤维后，碳纤维和金属基体体积含量不易控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种碳纤维增强锡基复合材料及其制备方法，解决目前采用碳纤维和基体金属锡制造复合材料的工艺，会造成碳纤维和基体不连续性，不能充分发挥碳纤维增强作用的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳纤维增强锡基复合材料，其特性在于：所述的复合材料的构造是：由表面沉积有有锡的碳纤维，纵向平行排列并经压合的板坯；复合材料的组分及其体积百分比为：碳纤维：30～35%，锡：65～70%。

一种碳纤维增强锡基复合材料的制备方法，其具体的工艺步骤为：

（1）碳纤维表面预处理；

（2）碳纤维表面电沉积锡，其电解液配方及电沉积参数为：

溶剂：蒸馏水，SnSO₄：50～60g/L，H₂SO₄（98%）：60～70g/L，HCHO(甲醛,36%ml/L)：15～20g/L，C₁₀H₁₀O（苄叉丙酮）：0.2～0.5g/L，C₁₃H₁₄N₂（二氨基二苯甲烷）：0.06～0.2g/L，C₁₀H₁₀O₂(对苯二酚)：0.5～1.0g/L，J_K(电流密度)：0.3～0.6A/dm²；

（3）清洗、中和；

（4）镀有锡的碳纤维电沉积锡，其电解液配方及电沉积参数为：

溶剂：蒸馏水，SnSO₄：35～45g/L，H₂SO₄（98%）：40～50g/L，HCHO(甲醛,36%/ml/L)：16～20g/L，C₁₀H₁₀O（苄叉丙酮）：0.3～0.5g/L，C₁₃H₁₄N₂（二氨基二苯甲烷）：0.1～0.2g/L，C₁₀H₁₀O₂(对苯二酚)：0.6～1.0g/L，J_K(电流密度)：0.4～0.6A/dm²；

（5）沉积有锡的碳纤维缠绕在成型轮上，成型电沉积锡，其电解液配方及电沉积参数为：

溶剂：蒸馏水，SnSO₄：40～50g/L，H₂SO₄（98%）：45～50g/L，HCHO(甲醛,36%/ml/L)：16～20g/L，C₁₀H₁₀O（苄叉丙酮）：0.3～0.5g/L，C₁₃H₁₄N₂（二氨基二苯甲烷）：0.1～0.2g/L，C₁₀H₁₀O₂(对苯二酚)：0.7～1.0g/L，J_K(电流密度)：0.3～0.5A/dm²；

（6）取下坯料进行清洗、烘干；

（7）剪切坯料，装入模具中；

（8）真空热压成复合材料板坯；

（9）板坯炉冷至室温。

所述的工艺步骤（8）真空热压成复合材料板坯是将装有复合丝坯料的模具放入真空度>2×10^-2Pa的加热炉中，随炉加热至110～130℃后，在20MPa压力下，保压30min热压成型。

所述的工艺步骤（1）碳纤维预处理，是将碳纤维束缠绕在布线轮上，放入320℃加热炉中保温30min后随炉冷至室温。

通过上述工艺制备的C_f/Sn复合材料具体的性能如下：

本发明与现有技术相比，由于采用三步电沉积方法制备C_f/Sn复合材料，在电沉积过程中可以使每根纤维表面较均匀包覆一层金属基体，从而保证了纤维在基体中的均匀、连续分布，可充分发挥纤维的增强作用。试验证明电沉积法制备C_f/Sn复合材料的优点是：制造方法简单，成本低；可以保证了纤维在基体中的均匀、连续分布，可充分发挥纤维的增强作用；制造过程中对纤维不会造成大的机械损伤。

本发明采用Sn作为基体材料，而以碳纤维增强，利用三步电沉积法制备的C_f/Sn复合材料，不仅具有良好的力学性能，而且具有抗腐蚀、抗蠕变、抗咬合、耐疲劳和变形小的优点，可为轴瓦或其它耐磨用材提供更多的选择。

附图说明

图1为碳纤维增强锡基（C_f/Sn）复合材料制备工艺流程图；

图2为为碳纤维增强锡基C_f/Sn）复合材料电沉积工艺装置图；

图3为碳纤维增强锡基（C_f/Sn）复合材料电沉积成型镀槽中的自动布线装置图。

下面结合附图通过较佳实施例对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明采用碳纤维为国产中强型聚丙烯腈（PAN）碳纤维，单丝直径（6～8）μm，成束状（1000根/束），可按设计体积配比30～35%选取。其抗拉强度为2200MPa，弹性模量为200GPa，密度为1.78g/cm³，含碳量>96%。

基体材料为纯锡，抗拉强度为170MPa（冷变形态），所用电沉积药品均为化学纯。

本发明工艺流程如图1所示。

1、碳纤维预处理

为避免单根纤维之间黏结在一起和纤维间的磨损，所购买的成束状碳纤维表面均涂有黏结剂，使用前均需把黏结剂去掉，首先把碳纤维缠绕在钢制布线轮上，然后放入到320℃加热炉中，保温30min后关掉加热炉电源，随炉冷到到室温出炉。

2、第一步电沉积锡

首先在碳纤维表面预电沉积一层锡（体积比大约15%），在第一步电沉积锡过程中，通过调节电沉积液成分及工艺，确保每一根碳纤维表面能够均匀包覆一层锡，为第二步增厚电沉积锡奠定良好基础。电沉积锡的体积含量可以通过调整电沉积电流密度来控制，以满足设计要求的体积百分比值。

第一步电沉积电解液配方及电沉积参数如下：

溶剂：蒸馏水。

3、清洗、中和

由于第一步电沉积电解液与第二步电沉积电解液配方略有不同，所以从第一步电沉积电解液出来的已电沉积锡的碳纤维表面，需经过清洗槽和中和槽处理才可进入第二步电沉积电解液，避免对第二步电沉积电解液造成影响。

4、第二步电沉积锡

对第一步电沉积锡的碳纤维表面进行增厚电沉积锡。电沉积锡的体积含量可以通过调整电沉积电流密度来控制，以满足设计要求的体积百分比值

第二步电沉积电解液配方及电沉积参数如下：

溶剂：蒸馏水

4、第三步成型电沉积锡

把经过第二步电沉积锡的碳纤维缠绕在表面包覆一层锡箔的成型轮上，在成型镀槽中进行电沉积锡，最终形成复合丝坯料。电沉积锡的体积含量可以通过调整电沉积电流密度来控制。

第三步电沉积电解液配方及电沉积参数如下：

溶剂：蒸馏水

5、清洗、烘干

对经过第三步电沉积锡的复合丝坯料从成型轮上取下，清洗掉表面的电解液，然后烘干。

6、剪切、装模

把烘干的复合丝坯料剪切，然后放入钢制模具中。

7、真空热压

把装有复合丝坯料的模具放入加热炉中，在高于2×10^-2Pa的真空度下随炉加热到热压温度后保温，保温一定时间后进行热压扩散处理，热压扩散结束后随炉冷却到室温出炉，最终复合材料毛坯在真空热压机组上热压成复合材料板坯。

真空热压工艺参数如下：

真空度：>2×10^-2Pa

热压温度：110～130℃

热压压力：20MPa

热压时间：30min

实现本发明的工艺装置如图2所示。

碳纤维束1由放线轮6引出，通过传动机构4驱动。首先经预镀锡槽7，然后经过清洗槽8清洗，再经中和槽9中和，经镀锡槽10通过布线装置5再进入成型镀锡槽11，最后缠绕在成型卷曲轮12上，形成复合丝坯料。与每个镀槽连接有电源2和电解液过滤泵3。

复合材料在电沉积成型镀槽中的自动布线装置如图3所示。

复合丝13由布线装置5穿出，绕至成型卷曲轮12。复合丝13在锡极板15的电解作用沉积锡的同时，由丝杆驱动，顺序排列在成型卷曲轮12上，形成碳纤维增强锡基复合丝坯料14。

Claims

1.一种碳纤维增强锡基复合材料，其特征在于：所述的复合材料的构造是：由表面沉积有有锡的碳纤维，纵向平行排列并经压合的板坯；复合材料的组分及其体积百分比为：碳纤维：30～35%，锡：65～70%。

2.一种制备如权利要求1所述的碳纤维增强锡基复合材料的方法，步骤包括：碳纤维预处理，电沉积金属，真空热压，其特征在于：所述的制备碳纤维增强锡基复合材料的工艺步骤为：

（1）碳纤维表面预处理；

（2）碳纤维表面电沉积锡，其电解液配方及电沉积参数为：

溶剂：蒸馏水，

SnSO₄：50～60g/L，H₂SO₄：60～70g/L，HCHO：15～20g/L，C₁₀H₁₀O：0.2～0.5g/L，C₁₃H₁₄N₂：0.06～0.2g/L，C₁₀H₁₀O₂：0.5～1.0g/L，J_K：0.3～0.6A/dm²；

（3）清洗、中和；

溶剂：蒸馏水，

SnSO₄：35～45g/L，H₂SO₄：40～50g/L，HCHO：16～20g/L，C₁₀H₁₀O：0.3～0.5g/L，C₁₃H₁₄N₂：0.1～0.2g/L，C₁₀H₁₀O₂：0.6～1.0g/L，J_K：0.4～0.6A/dm²；

溶剂：蒸馏水，

SnSO₄：40～50g/L，H₂SO₄：45～50g/L，HCHO：16～20g/L，C₁₀H₁₀O：0.3～0.5g/L，C₁₃H₁₄N₂：0.1～0.2g/L，C₁₀H₁₀O₂：0.7～1.0g/L，J_K：0.3～0.5A/dm²；

（6）取下坯料进行清洗、烘干；

（7）剪切坯料，装入模具中；

（8）真空热压成复合材料板坯；

（9）板坯炉冷至室温。

3.按照权利要求2所述的碳纤维增强锡基复合材料的方法，其特征在于：所述的工艺步骤（8）真空热压成复合材料板坯是将装有复合丝坯料的模具放入真空度>2×10^-2Pa的加热炉中，随炉加热至110～130℃后，在20MPa压力下，保压30min热压成型。

4.按照权利要求2所述的碳纤维增强锡基复合材料的方法，其特征在于：所述的工艺步骤（1）碳纤维预处理，是将碳纤维束缠绕在布线轮上，放入320℃加热炉中保温30min后随炉冷至室温。