一种纤维增强金属基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其是涉及一种纤维增强金属基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.近年来随着国家经济实力的上涨，很多大型企业越来越重视资源上的浪费和材料成本高的问题，据不完全统计，今年因材料疲劳损伤和腐蚀破坏带来的资源浪费占50％。为此，近几年国家大力提倡开发新材料，新材料是公认的引导人类未来发展全局的四大高新技术之一。复合材料作为新材料的一种，有着至关重要的地位，随着交通运输、航空航天等领域的快速发展，其对材料性能方面的要求越来越严格，例如，需要高轻度的同时还需要耐高温、热传导系数高，抗拉耐磨损等优良性能。就目前发展前景而言，性能单一的合金材料已经无法满足人类对高科技发展的需求，复合材料的诞生开辟了材料世界的新纪元。
3.目前，复合材料运用在航空航天上的情况比较多，尤其对飞机机身上的部件需要具备全方位的优良性能，目前所用的机身材料还有一定的缺陷，需要进一步提高材料的性能。柔性陶瓷膜增强金属基复合材料崭露头角，成为了机身所需的主要复合材料。目前，机身所使用的材料必须具有优良性能，其制备成本也需要降低，这样开发出来的复合材料才有意义。金属复合材料的制备工艺主要包括固相法、液相法、原位生成法。以往的研究采用液相法制备较多，例如：真空压力浸渗、真空气压浸渗、无压浸渗等工艺，但这些工艺都存在操作复杂，设备成本高，制备工艺繁琐等问题。
4.专利cn 202010436749.6公开了将增强颗粒包括sic颗粒、cazr2(po4)3颗粒和zrv2o7颗粒按一定比例混合均匀包裹至铝合金薄带中，再对铝合金薄带封口处进行焊合，制备出充满增强颗粒的铝丝，在温度为800～1000℃的感应加热器中，加热熔化。使用高压氮气将熔融液滴雾化成微纳米级的铝合金液滴和增强颗粒，共同沉积形成低热膨胀系数的铝基复合材料，所述高压氮气的压力为2～5mpa，温度为-10℃～-20℃，所述沉积距离为200～300mm，该方法的操作要求较高，需要专业技术人员进行操作，且仅能制备颗粒增强复合材料。
5.专利cn 201310042089.3公开了先浸泡sic颗粒72h，期间每隔5h都需要搅拌30min，在反复用蒸馏水清洗至ph＝7左右，最后制备出sic浆料，制备增强体颗粒时需要用时20h左右，然后在159ml/min的氩气保护下制备铝合金溶液，混合成浆料后升温并用不锈钢搅拌器和石墨搅拌器搅拌，然后充分融合后放入温度为400℃挤压模具中，同时施加100mpa的压力保持10min后冷却，从模具中取出，便制备出铝基复合材料。该方法的缺点是制备工艺繁琐复杂，制备周期过长不易量化生产，且在制备过程需要多台实验设备，成本较高，制备条件严格，压力较大，需要专业操作人员操作，且该方法使用的范围有局限性，只能使用颗粒增强金属基复合材料。
6.专利cn201210478762.3公开了将k2tif6粉剂作为粉末添加剂添加在高温下的铝合金溶液中，同时通入还原性气体保护(此专利使用的是氨气)，然后在坩埚外围使用低频旋
转磁场，对反应体系进行处理，最后对金属溶液精炼、浇注到模具里得到复合材料；该制备工艺专业要求高，需要专业人员操作，同时电流较大，对设备要求较高，增强项体积分数较低且多为氧化物，且只能制备颗粒或晶须(短纤维)增强。
7.因此，针对上述问题本发明急需提供一种纤维增强金属基复合材料及其制备方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种纤维增强金属基复合材料及其制备方法，通过纤维增强金属基复合材料制备方法的设计以解决现有技术中存在的现有的金属复合材料热膨胀系数低，制备工艺复杂，制备工艺繁琐，成本高的技术问题。
9.本发明提供的一种纤维增强金属基复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
10.将陶瓷膜和金属箔通过胶黏剂交替粘附于一体，获得预制复合材料，其中，金属箔为n层，陶瓷薄膜为n-1层，n≥2；
11.将预制复合材料放入模具中，在热压炉中进行热压，获得纤维增强金属基复合材料。
12.优选地，预制复合材料的厚度为0.42mm-10mm。
13.优选地，采用厚度为0.02mm-0.1mm的静电纺丝制备陶瓷薄膜；金属箔的厚度为0.02mm-0.1mm。
14.优选地，在热压过程中，在惰性气氛下进行热压。
15.优选地，陶瓷薄膜的材质包括氧化铝陶瓷膜、氧化锆陶瓷膜、钛酸钡陶瓷膜、氧化硅陶瓷膜或氧化镁陶瓷膜中的至少一种。
16.优选地，粘结剂包括羟丙基甲基纤维素、硅溶胶、pva溶液、淀粉、羟基铝溶胶、四氢呋喃、氰基丙烯酸酯、植物油、松香、糊精、水玻璃、呋喃树脂中的至少一种。
17.优选地，采用热压炉进行热压，热压炉工艺参数为热压温度100-500℃、热压压力5-20mpa、保压时间5-50min。
18.优选地，惰性气体为氮气、氩气、氦气、氖气、氙气其中一种或多种。
19.优选地，陶瓷薄膜制备过程中，采用静电纺丝工艺制备，静电纺丝参数为：收集距离10-15cm、电压为10-18kv、溶液进给速度为1.8-2ml/h、滚筒收集器的转速为1800-2000rpm。
20.本发明还提供了一种基于如上述中任一项所述的纤维增强金属基复合材料的制备方法获得的纤维增强金属基复合材料。
21.本发明提供的一种纤维增强金属基复合材料及其制备方法与现有技术相比具有以下进步：
22.1、本发明提供的纤维增强金属基复合材料制备方法制备的纤维增强金属基复合材料，具有高的耐高温性，热传导系数高，满足航空领域的应用。
23.2、本发明提供的纤维增强金属基复合材料制备方法，制备工艺简单，设备简单，耗能低，降低制造成本。
24.3、本发明提供的纤维增强金属基复合材料制备方法，制备过程无污染，符合环保要求。
具体实施方式
25.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本发明提供了一种纤维增强金属基复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
27.s1)将陶瓷膜和金属箔通过胶黏剂交替粘附于一体，获得预制复合材料，其中，金属箔为n层，陶瓷薄膜为n-1层，n≥2；
28.s2)将预制复合材料放入模具中，在热压炉中进行热压，获得纤维增强金属基复合材料。
29.具体地，预制复合材料的厚度为0.42mm-10mm。
30.具体地，采用厚度为0.02mm-0.1mm的静电纺丝制备陶瓷薄膜；金属箔的厚度为0.02mm-0.1mm。
31.具体地，在热压过程中，在惰性气氛下进行热压。
32.具体地，陶瓷薄膜的材质包括氧化铝陶瓷膜、氧化锆陶瓷膜、钛酸钡陶瓷膜、氧化硅陶瓷膜或氧化镁陶瓷膜中的至少一种。
33.具体地，粘结剂包括羟丙基甲基纤维素、硅溶胶、pva溶液、淀粉、羟基铝溶胶、四氢呋喃、氰基丙烯酸酯、植物油、松香、糊精、水玻璃、呋喃树脂中的至少一种。
34.具体地，采用热压炉进行热压，热压炉工艺参数为热压温度100-500℃、热压压力5-20mpa、保压时间5-50min。
35.具体地，惰性气体为氮气、氩气、氦气、氖气、氙气其中一种或多种。
36.具体地，陶瓷薄膜制备过程中，采用静电纺丝工艺制备，静电纺丝参数为：收集距离10-15cm、电压为10-18kv、溶液进给速度为1.8-2ml/h、滚筒收集器的转速为1800-2000rpm。
37.本发明还提供了一种基于如上述中任一项所述的纤维增强金属基复合材料的制备方法获得的纤维增强金属基复合材料。
38.实施例一
39.纤维增强金属基复合材料(样品1)制备，包括如下制备步骤：
40.101)选用浓缩后的羧酸铝溶胶，静电纺丝参数设置：收集距离12cm、电压12kv、溶液进给速度1.8ml/h，滚筒收集器的转速1800rpm，制备获得20μm厚的陶瓷薄膜；选用20μm的金属箔；
41.102)将金属箔用超声波清洗，清洗后用去离子水反复冲洗至水呈中性，晾干2小时备用；将陶瓷薄膜至于无水酒精中浸泡30min，浸泡后用去离子水反复冲洗至中性，晾干1h，备用；
42.103)将各陶瓷薄膜和各金属箔的上表面和下表面涂布质量分数为3％的pva溶液，依次将陶瓷薄膜和金属箔交替叠放于一体，获得预制复合材料，其中，金属箔11层，陶瓷薄膜为10层，按照abab叠加方式，叠放于一体；
43.104)预制复合材料放入充满氮气的热压炉中，进行热压，获得纤维增强金属基复合材料(样品1)，其中，热压温度600℃、热压压力10mpa、保压时间30min。
44.样品1的性能见表1。
45.对照样品选用铝合金薄带采购自东莞市亿诺金属材料有限公司。
46.实施例二
47.纤维增强金属基复合材料(样品2)制备，包括如下制备步骤：
48.201)选用浓缩后的羧酸铝溶胶，静电纺丝参数设置：收集距离12cm、电压12kv、溶液进给速度1.8ml/h，滚筒收集器的转速1800rpm，制备获得20μm厚的陶瓷薄膜；选用20μm的金属箔；
49.202)将金属箔用超声波清洗，清洗后用去离子水反复冲洗至水呈中性，晾干2小时备用；将陶瓷薄膜至于无水酒精中浸泡30min，浸泡后用去离子水反复冲洗至中性，晾干1h，备用；
50.203)将各陶瓷薄膜和各金属箔的上表面和下表面涂布质量份数为3％的pva溶液，依次将陶瓷薄膜和金属箔交替叠放于一体，获得预制复合材料，其中，金属箔15层，陶瓷薄膜为14层，按照abab叠加方式，叠放于一体；
51.204)预制复合材料放入充满氮气的热压炉中，进行热压，获得纤维增强金属基复合材料(样品2)，其中，热压温度600℃、热压压力10mpa、保压时间30min。
52.样品2的性能见表1。
53.实施例三
54.纤维增强金属基复合材料(样品3)制备，包括如下制备步骤：
55.301)选用浓缩后的羧酸铝溶胶，静电纺丝参数设置：收集距离12cm、电压12kv、溶液进给速度1.8ml/h，滚筒收集器的转速1800rpm，制备获得20μm厚的陶瓷薄膜；选用20μm的金属箔；
56.302)将金属箔用超声波清洗，清洗后用去离子水反复冲洗至水呈中性，晾干2小时备用；将陶瓷薄膜至于无水酒精中浸泡30min，浸泡后用去离子水反复冲洗至中性，晾干1h，备用；
57.303)将各陶瓷薄膜和各金属箔的上表面和下表面涂布质量份数为3％的pva溶液，依次将陶瓷薄膜和金属箔交替叠放于一体，获得预制复合材料，其中，金属箔25层，陶瓷薄膜为24层，按照abab叠加方式，叠放于一体；
58.304)预制复合材料放入充满氮气的热压炉中，进行热压，获得纤维增强金属基复合材料(样品2)，其中，热压温度600℃、热压压力10mpa、保压时间30min。样品3的性能见表1。
59.实施例一、实施例二和实施例三的区别仅在于预制复合材料的层数不同，实施例一、实施例二和实施例三相比对照样1，热膨胀系数和热导率均高于对照样1，说明本发明获得的纤维增强金属基复合材料具有高的耐高温性能和热导率，实施例一、实施例二和实施例三通过层数的改变，可以调控热膨胀系数和热导率，可以根据客户要求，选择适合的层数。
60.实施例四
61.纤维增强金属基复合材料(样品4)制备，包括如下制备步骤：
62.401)选用浓缩后的羧酸铝溶胶，静电纺丝参数设置：收集距离12cm、电压12kv、溶液进给速度1.8ml/h，滚筒收集器的转速1800rpm，制备获得20μm厚的陶瓷薄膜；选用20μm的金属箔；
63.402)将金属箔用超声波清洗，清洗后用去离子水反复冲洗至水呈中性，晾干2小时备用；将陶瓷薄膜至于无水酒精中浸泡30min，浸泡后用去离子水反复冲洗至中性，晾干1h，备用；
64.403)将各陶瓷薄膜和各金属箔的上表面和下表面涂布质量份数为10％的甲酸硅，依次将陶瓷薄膜和金属箔交替叠放于一体，获得预制复合材料，其中，金属箔11层，陶瓷薄膜为10层，按照abab叠加方式，叠放于一体；
65.404)预制复合材料放入充满氮气的热压炉中，进行热压，获得纤维增强金属基复合材料(样品4)，其中，热压温度650℃、热压压力10mpa、保压时间30min。
66.样品4的性能见表1。
67.实施例五
68.纤维增强金属基复合材料(样品5)制备，样品5与样品1的区别仅在于胶黏剂选用的不同，胶黏剂为质量分数为10％的环氧树脂溶液，样品5的性能见表1。
69.样品4、样品5相比样品1，改变了胶黏剂的种类，从表1数据可以看出，胶黏剂的种类对样品的性能影响不大。
70.实施例六
71.纤维增强金属基复合材料(样品6)制备，样品6与样品的区别仅在于选用50μm的金属箔；样品6的性能见表1，相比样品1，样品6的耐高温性能略有下降，但仍高于对照样品。
72.表1 纤维增强金属基复合材料的物理性能
73.序号热膨胀系数(k-1
)热导率(w
·
m-1
·
k-1
)对照样品60
×
10-6
198样品18.1
×
10-6
233样品27.5
×
10-6
244样品38.3
×
10-6
229样品48.0
×
10-6
234样品58.2
×
10-6
237样品69.2
×
10-6
206
74.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。