CN105256349A

CN105256349A - 一种复合材料的制备工艺

Info

Publication number: CN105256349A
Application number: CN201510716581.3A
Authority: CN
Inventors: 沈秋
Original assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2016-01-20

Abstract

本发明公开了一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳纤维增强铜基复合材料，对碳纤维进行除胶处理后，在碳纤维表面镀铜，提高镀层与碳纤维的结合强度，包括：碳纤维加热除胶——碱性除油——清洗——装卡——一次镀铜——二次镀铜——清洗——钝化——卸卡——制备完成。碳纤维除胶的加热温度为300——400度，加热时间5——10min，碱性除油为10％的NaOH溶液，温度为40——50度。镀铜包括硫酸铜30——40g/L，硝酸钾60——80g/L，溶液的温度为45——55度，PH为9.0——9.5，每次电镀时间为60——80s，电流为0.4——0.6A。该工艺碳纤维表面的电镀层厚度均匀，并且不破坏碳纤维的力学性能，大幅度提高碳纤维的导电性，工艺流程简操作方便，适合于批量生产。

Description

一种复合材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备工艺。

背景技术

连续复合材料的增强机制，最基本的力学考虑是从朴素的概念“混合准则方程”中得出的，我们假定一组排成行的、直的连续纤维埋在基体中形成复合材料，组成理想的几何排列，通常是正六边形或正方形，并且认为与基体结合良好。

界面被认为是影响复合材料特别是力学性能的关键因素，界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力。金属基纤维复合材料的界面通常有以下几种类型：

一类界面，纤维与基体互不反应也互不溶解，如铜/钨丝、铜/碳纤维、铜/氧化铝纤维、铝/碳化硅纤维。这类界面是平整的，厚度仅为分子层的厚度，除原组成成分外，界面上基本不含其他物质。

二类界面，纤维与基体不反应但相互溶解，如铜/镀铬的钨丝，镍/碳纤维，镍/钨丝，这类界面是由原组成成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面。

三类界面，纤维与基体互相反应形成界面反应层，如钛/氧化铝纤维，钛/硼纤维，铝/碳化硅纤维，铝/碳纤维，这类界面含有亚微米级左右的界面反应物质(界面反应层)。

纤维增强金属基复合材料的界面结合可以分成以下几种形式：

物理结合

物理结合是指借助材料表面的粗糙状态而产生的机械咬合，以及借助基体的收缩应力来包紧纤维使产生的摩擦结合，这种结合与化学作用无关。纯属物理作用，结合强度的大小与纤维表面的粗糙程度有很大关系。例如，用经过表面刻蚀处理制成的纤维复合材料，其强度比具有光滑表面的纤维复合材料约高203倍，但这种结合只有当载荷应力平行于界面时才能实现较强的作用，丽当应力垂直于界面时承载能力很小。

溶解与浸润结合

纤维与基体的相互作用力是极短程的，只有若干原子间距，由于纤维表面常存在氧化物膜，阻碍液态金属的浸润，这时就需要对纤维表面进行处理。如利用超声波法通过机械摩擦力破坏氧化物膜，使纤维与基体的接触角小于90度，发生浸润或局部互溶以提高界面结合力。

反应结合

其特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层，即界面反应层，界面反应层往往不是单一化合物，如硼纤维增强钛铝合金，在界面反应层内有多种反应产物。一般情况下，随反应程度增加，界面结合强度亦增大。但由于界面反应产物多为脆性物质，所以当界面层到一定厚度时，界面上的残余应力可以使界面破坏，反而降低界面结合强度。

纤维增强金属基复合材料的制造工艺

粉末冶金法

粉末冶金法是在排列的长纤维上先撒上一层金属粉末，将纤维与金属粉末相互交替重叠后冷压，然后烧结：后将长纤维剪短与金属粉末混合后，再冷压烧结制得复合材料，在金属粉末中可如入一些合金元素改善复合材料性能。这种方法的优点是制造温度低，适用多种基体与纤维(特别是短碳纤维)的结合，缺点是纤维损伤大，分布不均，含量不高。

扩散粘接法

该法将增强剂经表面处理后先浸渍金属制成先驱丝，再与金属箔(和粉末)叠层在真空条件(或保护气氛)和略低于金属熔点的温度下热压扩散粘接成型。这种方法对纤维损伤较小，制得的复合材料密度较高，但生产效率低，设备要求高。

挤压轧制法

利用挤压或轧制法将纤维与层状基体结合，这种方法的优点是界面反应小，取向规律，缺点是容易损伤纤维，对基体也有限制。

挤压铸造法

这种方法是制造金属基复合材料较理想的途径，此工艺先将增强剂制成预成型体，放入固定模型内预热至一定温度，浇入金属熔体，将阳模压下并加压，迅速冷却后脱模即得构件。由于高压改善了金属熔体的浸润性.同时也消除了气孔等缺陷，因此复合材料质量较好，可以一次成型。

真空一气压浇铸法

该法是将增强剂制成预成型体放入模腔后，加热并抽真空，然后用气压将金属熔体压入模腔，迅速冷却后脱模。这种方法与挤压铸造法一样可得到致密的构件，同时由于先抽真空再加较低压力，故对纤维损伤较小，其力学性能比挤压法好。

碳纤维增强铝基复合材料是纤维增强复合材料中研究较多、应用较广的一种复合材料。由于他具有密度小，比强度、比模量高，导电导热性好，高温强度和高温下尺寸稳定性好等优点，在许多领域特别是航天航空领域得到广泛应用。如用碳纤维一铝基复合材料制造电缆、活塞、螺旋桨、叶片及火箭、卫星、飞机上的各种部件等。

碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减磨和耐磨性能以及低的热膨胀系数，越来越引起工业界的重视，例如利用其低的热膨胀系数和导电导热性优异的特点，可以制造可控硅元件、电子元件中的支撑电极和触点材料，从而取代资源有限、价格昂贵的金、银、钼、钨等材料，制成电气机车的导电滑履，电极电刷等可以大大延长这些零部件的使用寿命，延长设备的使用周期，节约大量的维修费用。碳纤维增强铜基复合材料还可以用来制造集成电路散热板。此外，用连续碳纤维或短碳纤维增强铜合金，还可以得到各种特殊性能的材料，如连续碳纤维增强铜基复合材料既具有良好的高温强度，又有良好的耐腐蚀性，有望发展为很有前途的高温结构材料。如美国研制的航空航天用途的石墨铜基复合材料，其工作温度可达870度，不次于目前广泛使用的镍基高温合金。因此研究和开发碳纤维增强铜基复合材料是我国冶金和材料工业发展的一个重要方向。

碳纤维铜基增强复合材料的制备过程中.铜对碳纤维的润湿性很差，铜与碳纤维在固态和液态下相互溶解度都很小，而且不发生化学反应，不形成碳化物。碳纤维在铜中扩散系数几乎为零.碳纤维与铜的界面是以机械结合为主的物理结合，界面既无扩散也无化学反应。这种界面结合较弱，其横向剪切强度仅为30MPa，限制了材料强度的提高，较好的解决方法是对碳纤维表面进行镀铜处理，常用的是化学镀和电镀。在碳纤维上镀一层均匀致密的铜层。有文献报道可以使用双层镀的方法，先镀一层铜，再镀一层镍或钛，通过铜层扩散至碳纤维表面发生反应，从而提高了复合材料的强度。镀铜时析出的铜原子极易在碳纤维表面聚集，而且首先在碳纤维的沟槽内沉积，因此碳纤维表面粗糙度在很大程度上影响了碳纤维铜基复合材料的紧密结合。解决办法是对碳纤维进行表面氧化处理，如硝酸氧化法。空气氧化法，以官能团的形式固定了大量的氧，并使碳纤维表面显著起坑，增加了表蔼粗糙度。目前的镀铜短碳纤维一般采用电镀长纤维然后机械切断的方法，这样做的生产效率很高，成本较低，但由于切断后纤维的端面上没有铜层包覆，给基体和纤维的结合造成了影响。目前许多单位都在探讨如何用化学镀的方法直接在短纤维上镀。其可行性已基本被证实，目前研究的重点在于寻找一种简单、经济的可用于大批量生产的最佳工艺。

制造碳纤维增强铜基复合材料，粉末冶金方法用的较多，用粉末冶金工艺生产铜基复合材料具有增强纤维分布均匀、产品性能稳定、生产工艺可靠、成本低等优点，这是其它方法无法相比的。因此，用粉末冶金法生产铜基复合材料，具有十分重要的意义和很高的经济价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种复合材料的制备工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳纤维增强铜基复合材料，对碳纤维进行除胶处理后，在碳纤维表面镀铜，提高镀层与碳纤维的结合强度，包括：碳纤维加热除胶——碱性除油——清洗——装卡——一次镀铜——二次镀铜——清洗——钝化——卸卡——制备完成。碳纤维除胶的加热温度为300——400度，加热时间5——10min，碱性除油为10％的NaOH溶液，温度为40——50度。镀铜包括硫酸铜30——40g/L，硝酸钾60——80g/L，溶液的温度为45——55度，PH为9.0——9.5，每次电镀时间为60——80s，电流为0.4——0.6A。

具体实施方式

实施例1

一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳纤维增强铜基复合材料，对碳纤维进行除胶处理后，在碳纤维表面镀铜，提高镀层与碳纤维的结合强度，包括：碳纤维加热除胶——碱性除油——清洗——装卡——一次镀铜——二次镀铜——清洗——钝化——卸卡——制备完成。碳纤维为聚丙烯氰基碳纤维，碳纤维除胶的加热温度为300度，加热时间10min，碱性除油为10％的NaOH溶液，温度为50度。镀铜包括硫酸铜40g/L，硝酸钾80g/L，溶液的温度为55度，PH为9.5，每次电镀时间为80s，电流为0.6A。

实施例2

一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳纤维增强铜基复合材料，对碳纤维进行除胶处理后，在碳纤维表面镀铜，提高镀层与碳纤维的结合强度，包括：碳纤维加热除胶——碱性除油——清洗——装卡——一次镀铜——二次镀铜——清洗——钝化——卸卡——制备完成。碳纤维为PAN短碳纤维，碳纤维除胶的加热温度为400度，加热时间15min，碱性除油为10％的NaOH溶液，温度为45度。镀铜包括硫酸铜50g/L，柠檬酸钾60g/L，溶液的温度为55度，PH为9.0，每次电镀时间为70s，电流为0.4A。

Claims

1.一种复合材料的制备工艺，该工艺为碳纤维增强铜基复合材料，其特征在于对碳纤维进行除胶处理后，在碳纤维表面镀铜，提高镀层与碳纤维的结合强度，包括：碳纤维加热除胶——碱性除油——清洗——装卡——一次镀铜——二次镀铜——清洗——钝化——卸卡——制备完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳纤维除胶的加热温度为300——400度，加热时间5——10min，碱性除油为10％的NaOH溶液，温度为40——50度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的镀铜包括硫酸铜30——40g/L，硝酸钾60——80g/L，溶液的温度为45——55度，PH为9.0——9.5，每次电镀时间为60——80s，电流为0.4——0.6A。