CN109572091A - 连续纤维增强金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及连续纤维增强金属基复合材料的制备方法。该方法包括：将连续增强体纤维与基体金属丝材交替织布，均匀编制成纤维和金属的混杂纤维布，并通过压缩空气将丙酮胶液喷洒于混杂纤维布上，将纤维固定；将纤维固定好的n层的混杂纤维布与n+1层基体金属箔材交替叠层的排布方式进行铺层，其中n≧1，获得多层结构的预制坯，该预制坯的最上层和最下层均为基体金属箔层；将预制坯置于真空加热炉中，升温至丙酮胶液的蒸发温度，使混杂纤维布中的丙酮胶液受热蒸发而除胶；在除胶后，快速升温至混杂纤维布与基体金属箔材的复合温度，并加压后保温保压，使纤维和金属的混杂纤维布与基体金属箔材复合，获得连续纤维增强金属基复合材料。

Description

连续纤维增强金属基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料制备技术领域，特别是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
金属基复合材料是用金属基体与增强体复合而成的一类材料，通过与轻质高强的高性能增强体的复合，既保持金属基体原来的工作温度，同时又使复合材料的力学性能大幅提高，同树脂基复合材料相比，除高比强度、高比模量和低膨胀系数外，最大的优点是耐高温。
对于某些连续纤维增强复合材料来说(如连续纤维增强钛基复合材料)，制备难度较大，一般只能采用固相合成法，通过热压、热等静压等方法实现成型。目前对于这类材料，主要制备方法有箔-纤维-箔法、物理气相沉积法等。目前，出现在增强体纤维上电沉积金属基体，结合热压进行复合。采用激光熔覆手段将钛合金丝材沉积到SiC纤维、叠层铺设的纤维布或纤维增强体上等新制备方法。
传统箔-纤维-箔法适于制备规则形状的复合材料板材，但工艺难点在于复合材料中纤维排布的均匀性控制。当使用箔-纤维-箔法制备连续纤维增强复合材料时，金属基体与增强体纤维的复合是在一定温度压力下金属箔材发生大塑性变形挤入纤维间隙，并发生扩散连接的过程。复合所需压力较大，这就限制了此方法所制备复合材料的最大尺寸。而如采用激光熔覆手段将钛合金丝材沉积到SiC纤维、叠层铺设的纤维布或纤维增强体上等新制备方法相比箔-纤维-箔法，又都存在工艺复杂，周期长，成本高等问题，同样不适用于如飞行器蒙皮结构等大型复合材料结构件的制备。因此，现有的制备方法已经无法满足某些难制备连续纤维增强金属基复合材料低成本、高质量、大尺寸等制备需求。
因此，发明人提供了连续纤维增强金属基复合材料的制备方法。
发明内容
本发明实施例提供了连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，通过将钛丝作为原材料，与SiC的增强体纤维交替排布形成SiC/Ti混杂纤维布，并与钛箔层交替叠层获得预制坯，进行真空热压复合成连续纤维增强金属基复合材料制备方法，解决了现有技术制备连续纤维增强金属基复合材料的纤维排布和最大尺寸问题。
本发明的实施例提出了一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，该方法包括：
编布，将连续增强体纤维与基体金属丝材交替织布，均匀编制成纤维和金属的混杂纤维布，并通过压缩空气将丙酮胶液喷洒于所述混杂纤维布上，将纤维固定；
铺层，将纤维固定好的n层的混杂纤维布与n+1层基体金属箔材交替叠层的排布方式进行铺层，其中n≧1，获得多层结构的预制坯，该预制坯的最上层和最下层均为基体金属箔层；
除胶，将预制坯置于真空加热炉中，以预定温速升温至丙酮胶液的蒸发温度，使混杂纤维布中的丙酮胶液受热蒸发而除胶；
复合，在除胶后，快速升温至混杂纤维布与基体金属箔材的复合温度，并加压至预定的复合压强后保温保压，使纤维和金属的混杂纤维布与基体金属箔材复合，获得连续纤维增强金属基复合材料。
进一步地，所述增强体纤维采用SiC纤维，所述基体金属丝材采用钛丝，所述基体金属箔材采用钛箔。
进一步地，在所述编布的方法前包括，将钛箔层与SiC纤维置于超声波清洗仪中，并加入丙酮进行清洗，除去表面污渍，之后置于酒精中，去除残留的丙酮。
进一步地，在所述编布的方法中，采用直径为100微米的SiC纤维与直径为50-200微米的钛丝交替织布。
进一步地，在所述编布的方法中，在编制成纤维和金属的混杂纤维布后，喷洒的是聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮胶液。
进一步地，所述铺层的方法中，采用厚度为50-200微米的钛箔层进行铺层。
进一步地，所述除胶的方法中，将预制坯置于真空加热炉中，以1-10℃/min升温至400-600℃，真空加热1-4h，使混杂纤维布中的丙酮胶液受热蒸发而除胶。
进一步地，所述复合的方法中，以5-20℃/min升温至800-1000℃，并加压至10-60MPa，保温保压0.5-2h，获得SiC连续纤维增强钛基复合材料。
综上，本发明提出将基体金属丝材作为原材料，与连续增强体纤维交替织布形成混杂纤维布，并与基体金属箔层叠层获得预制坯进行真空热压的连续纤维增强金属基复合材料制备方法。其优点体现在以下两个方面：
1、通过在连续纤维增强金属基复合材料制备过程中引入基体金属丝材，将其填充到增强体纤维与基体金属箔材之间的缝隙，在热压复合过程中，可以显著降低复合所需压力，增加可制备复合材料的最大尺寸。
2、本发明提出的制备方法相比传统箔-纤维-箔法制备工艺更简单，具有成本低，操作便捷等优点，解决了箔-纤维-箔法制备方法中增强体纤维排布均匀性问题，当纤维布中增强体纤维与基体金属丝材交替且紧密排布时，有利于增强体纤维排布的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是连续纤维增强金属基复合材料示意图。
图2是SiC纤维增强钛基复合材料的微观结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了等同修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
传统的连续纤维增强金属基复合材料制备方法箔-纤维-箔法存在所需复合压力大，所制备复合材料尺寸受限制的瓶颈问题。以SiC连续纤维增强TB8钛基复合材料为例，使用传统箔-纤维-箔法制备复合材料板材，所需要的最低复合压力为50MPa，即使使用100吨的热压机，最大也只能制备200cm2的板材，不能满足在飞行器蒙皮等领域的使用需要。而如物理气相沉积法、激光增材制造等方法往往成本过高、周期长、工艺复杂，推广应用受限。
鉴于目前连续纤维增强金属基复合材料制备方法存在的上述不足，本专利提出了一种连续纤维增强金属基复合材料制备方法。参见图1和图2所示，该制备方法至少包括以下步骤S110～步骤S140：
步骤S110为编布，将连续增强体纤维与基体金属丝材交替织布，均匀编制成纤维和金属的混杂纤维布，并通过压缩空气将聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮胶液喷洒于所述混杂纤维布上，将纤维固定。
步骤S120为铺层，将纤维固定好的n层的混杂纤维布与n+1层基体金属箔材交替叠层的排布方式进行铺层，其中n≧1，获得多层结构的预制坯，该预制坯的最上层和最下层均为基体金属箔层。
步骤S130为除胶，将预制坯置于真空加热炉中，以预定温速升温至丙酮胶液的蒸发温度，使混杂纤维布中的丙酮胶液受热蒸发而除胶。
步骤S140为复合，在除胶后，快速升温至混杂纤维布与基体金属箔材的复合温度，并加压至预定的复合压强后保温保压，使纤维和金属的混杂纤维布与基体金属箔材复合，获得连续纤维增强金属基复合材料。
本发明通过选用连续增强体纤维、基体金属箔材、基体金属丝材作为原材料，可通过纤维自动缠绕机将连续增强体纤维和基体金属丝材交替排布并编织成布。将基体金属箔材与纤维布根据设计依次叠层，获得预制坯，随后置于真空热压炉中。首先对预制坯进行低温低压真空除胶，随后高温高压使金属基体和增强体纤维复合，能够获得连续纤维增强金属基复合材料。本发明的制备方法中，在纤维布中增强体纤维与基体丝材交替且紧密排布时，有利于增强体纤维排布的均匀性。在热压复合过程中，可以显著降低复合所需压力，增加可制备复合材料的最大尺寸。
优选地，本发明的制备方法中，增强体纤维采用SiC纤维，基体金属丝材采用钛丝，基体金属箔材采用钛箔。在本发明的制备方法原理下，还可以拓展采用其他连续增强体纤维和金属丝材，与金属箔材等原材料进行复合，本发明不限于SiC纤维，只要能满足要求的连续增强体纤维即可。
本发明以SiC纤维、钛丝和钛箔的原材料为实施例说明。具体是，采用直径为100微米的SiC纤维与直径为50-200微米的钛丝交替织布。并采用厚度为50-200微米的钛箔层进行铺层。
具体实施时，在步骤S110的编布方法之前，还需将钛箔层与SiC纤维置于超声波清洗仪中，并加入丙酮进行清洗，除去表面污渍，之后置于酒精中，去除残留的丙酮。
由于在编好的混杂纤维布上喷洒聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮胶液是为了将纤维固定，SiC纤维固定后，需将丙酮胶液去除。因此，在步骤S130的除胶方法中，需将预制坯置于真空加热炉中，以1-10℃/min升温至400-600℃，真空加热1-4h，使混杂纤维布中的丙酮胶液受热蒸发而除胶。本方法中对应的参数是以本实施例中采用的原材料以及丙酮胶液而设定，工程实践中需根据实际采用的材料进行相应设定。
在步骤S140的复合方法中，以5-20℃/min升温至800-1000℃，并加压至10-60MPa，保温保压0.5-2h，获得SiC连续纤维增强钛基复合材料。同样的，该方法中的工艺参数工程，需根据实际采用的原材料进行相应设定。
和传统箔-纤维-箔法相比，本发明的制备方法能够显著降低复合压力，可以用于更大尺寸复合材料的制备。此外，该制备方法具有低成本，有利于增强纤维均匀排布等优点。为高质量大尺寸金属基复合材料的制备及推动其在航空航天等领域的进一步推广与应用奠定基础。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
编布，将连续增强体纤维与基体金属丝材交替织布，均匀编制成纤维和金属的混杂纤维布，并通过压缩空气将丙酮胶液喷洒于所述混杂纤维布上，将纤维固定；
铺层，将纤维固定好的n层的混杂纤维布与n+1层基体金属箔材交替叠层的排布方式进行铺层，其中n≧1，获得多层结构的预制坯，该预制坯的最上层和最下层均为基体金属箔层；
除胶，将预制坯置于真空加热炉中，以预定温速升温至丙酮胶液的蒸发温度，使混杂纤维布中的丙酮胶液受热蒸发而除胶；
复合，在除胶后，快速升温至混杂纤维布与基体金属箔材的复合温度，并加压至预定的复合压强后保温保压，使纤维和金属的混杂纤维布与基体金属箔材复合，获得连续纤维增强金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述增强体纤维采用SiC纤维，所述基体金属丝材采用钛丝，所述基体金属箔材采用钛箔。
3.根据权利要求2所述的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述编布的方法前包括，将钛箔层与SiC纤维置于超声波清洗仪中，并加入丙酮进行清洗，除去表面污渍，之后置于酒精中，去除残留的丙酮。
4.根据权利要求2所述的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述编布的方法中，采用直径为100微米的SiC纤维与直径为50-200微米的钛丝交替织布。
5.根据权利要求2所述的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述编布的方法中，在编制成纤维和金属的混杂纤维布后，喷洒的是聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮胶液。
6.根据权利要求2所述的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铺层的方法中，采用厚度为50-200微米的钛箔层进行铺层。
7.根据权利要求5所述的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述除胶的方法中，将预制坯置于真空加热炉中，以1-10℃/min升温至400-600℃，真空加热1-4h，使混杂纤维布中的丙酮胶液受热蒸发而除胶。
8.根据权利要求2所述的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合的方法中，以5-20℃/min升温至800-1000℃，并加压至10-60MPa，保温保压0.5-2h，获得SiC连续纤维增强钛基复合材料。
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