一种碳化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及一种铝基复合材料，具体涉及一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。


背景技术：

2.碳化硅纤维具有高的抗拉强度和弹性模量、良好的高温强度和耐热性、与金属间润湿性较好且纤维直径小等优点。碳化硅增强铝基复合材料中增强体sic纤维的体积分数越大，其热导率越高、热膨胀系数越小，同时具有比强度和比刚度高、密度低、耐磨、耐疲劳以及尺寸稳定性好。目前制备碳化硅纤维增强铝基复合材料的主要方法：(1)熔融浸润法，是将液态铝及铝合金浸润纤维束或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属面得到复合丝再经挤压而制得复合材料。其缺点是当纤维很容易被浸润时熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤。(2)加压铸造法，该法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔压力一直施加到凝固结束。缺点在于铸造压力和增强纤维含量对铝基复合材料的性能有较大影响。(3)扩散粘接法，扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型以得到铝基复合材料的制造方法。此外还包括常压烧结法、热压法、高温挤拉法。缺点在于基体很难浸入纤维丝束之间，界面结合较弱。(4)粉末冶金法，此方法是采用等离子喷溅法在排列好的增强纤维上喷涂金属铝粉或把金属铝粉分散在丙烯酸树脂(或聚苯乙烯树脂)进行涂敷制成预浸板将其交替重叠后在真空或氩气中在接近铝熔点温度下加压烧结以获得纤维增强铝基复合材料。缺点是纤维损伤大、分布不均匀且含量不高。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料，该复合材料基于各组分间的协同作用，在铝基体与碳化硅纤维束表面之间形成紧密包裹，大幅强化铝基体与碳化硅纤维束之间的结合力，从而提升材料的抗拉强度和抗弯性能。
4.本发明的第二个目的在于提供一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料的制备方法，该方法采用真空热压和真空压力铸造，无需对碳化硅纤维束丝进行集束或化学镀处理，通过控制真空度、温度和压力，来控制铝基板对碳化硅纤维束的集束性和浸润性，并控制碳化硅纤维束丝的取向分布，进而实现材料力学性能的大幅提升。
5.本发明的第三个目的在于提供一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料的应用，作为航空发动机压气机构件。该材料采用真空热压制备工艺利于纤维和基体的界面结合，真空压力铸造可根据模具设计不同形状的复合材料，赋予制备材料优异的抗弯耐压性能，可满足航空发动机压气机的力学需求。
6.为了实现上述技术目的，本发明提供了一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料的制
备方法，包括：将脱除氧化膜的铝合金板层与碳化硅纤维束层于模具中交叠铺设，经真空热压，得复合材料先驱体；将复合材料先驱体与去除氧化膜的铝合金板层真空压力铸造，冷却即得；所述复合材料中，复合材料先驱体与铝合金板层的体积比为3～6:10。
7.本发明所提供的制备方法采用两步法，先通过真空热压促使部分铝基体完全包裹碳化硅纤维束表面，并部分浸入碳化硅纤维丝内部，不仅对纤维束起到了集束、限阈的作用，还强化纤维束与铝基体间的结合强度；进一步的，在真空压力铸造过程中，通过真空铸造条件，保证铝基体处于液-固相交界点，呈现流动态，该状态下既可以保证铝基体对于复合材料先驱体紧密结合，同时还可以进一步固定纤维束，保证纤维束丝取向分布单向均匀，从而大幅提升复合材料的抗拉强度和抗弯性能。
8.作为一项优选的方案，所述碳化硅纤维束层中纤维束丝数量≤1k。
9.作为一项优选的方案，所述纤维束丝的单丝直径为6～10μm；所述纤维单丝的拉伸强度为2.5～3.6gpa。
10.作为一项优选的方案，所述真空热压条件为：真空度＜5*10-3
pa，热压烧结温度为550～620℃，压力为60～100mpa，时间0.5～3h。其中真空度低于5*10-3
pa利于纤维和铝基体的界面结合；热压烧结温度小于550℃或压力低于60mpa或时间小于0.5h不利于压制成形，而大于620℃则形成过多液相，不利于后续压力铸造；压力大于100mpa或时间长于3h则对碳化硅纤维的完整性不利。
11.作为一项优选的方案，所述复合材料先驱体中碳化硅纤维束层与铝合金板层的体积比为3～6:10。
12.作为一项优选的方案，所述复合材料先驱体在真空压力锻造前还包括去除氧化层。
13.作为一项优选的方案，所述复合材料先驱体去除氧化层的方式为打磨去除、强碱洗除和强酸洗除中的至少一种。
14.作为一项优选的方案，所述真空压力铸造的条件为：真空度＜5*10-3
pa，温度为660～720℃，压力为50-100mpa，时间为0.5h-1.5h，保压至液态金属凝固。其中，真空度若高于5*10-3
pa，则不利于纤维和铝基体的界面结合；铸造温度低于660℃时铝基体不能完全熔融成液态，而大于720℃则不利于铝基体和纤维的界面反应，严重的界面反应直接导致复合材料性能下降；铸造压力低于50mpa或时间小于0.5h不利于复合材料成形，而压力是大于100mpa或时间长于1h则可能损伤碳化硅纤维。
15.作为一项优选的方案，所述铝合金板层厚度为0.05～0.15mm，所述铝合金板层为1系铝合金、3系铝合金和6系铝合金中的至少一种。
16.本发明还提供了一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料，由上述任意一项制备方法所得。本发明所提供的碳化硅纤维束增强铝基复合材料具有优异的力学性能，尤其是大幅提升了材料的抗拉强度和抗弯强度，经测试，所得材料的抗拉强度可达750mpa，抗弯强度可达840mpa。
17.本发明还提供了一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料的应用，作为航空发动机压气机构件。
18.相较于现有技术，本发明的技术效果如下：
19.1)本发明所提供的复合材料基于各组分间的协同作用，在铝基体与碳化硅纤维束
表面之间形成紧密包裹，大幅强化铝基体与碳化硅纤维束之间的结合力，从而提升材料的抗拉强度和抗弯性能。
20.2)本发明所提供的技术方案中，采用真空热压和真空压力铸造，无需对碳化硅纤维束丝进行集束或化学镀处理，通过控制真空度、温度和压力，来控制铝基板对碳化硅纤维束的集束性和浸润性，并控制碳化硅纤维束丝的取向分布，进而实现材料力学性能的大幅提升。
21.3)本发明所提供的技术方案中，通过调节碳化硅纤维束的体积分数和铝基板与碳化硅纤维束间的浸润性，可大幅降低材料的孔隙率，经测试，本发明所提供的复合材料致密度为95.5～98.7％，碳化硅纤维体积分数为30～60％，内部结构均匀、致密，碳化硅纤维束与铝基体间的结合力大幅增强。
附图说明
22.图1为实施例1中真空热压纤维与铝基体铺层方式示意图；
23.图2为实施例1中先驱体结构示意图；
24.图3为实施例1中压力铸造先驱体与铝基体铺层方式示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
26.实施例1
27.本实施例提供一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
28.步骤一：剪裁长宽厚为79mm*19mm*0.1mm的6061-al板30片，放入40g/lnaoh溶液中浸泡30h，然后用30％ hno3酸洗3min，再水洗、擦干水渍，去除铝板表面的氧化膜；
29.步骤二：选取1k、纤维束丝直径9微米的碳化硅纤维束，经500℃、1.5h的去浆处理，再将纤维束与铝板相互叠层铺装在真空热压模具中；
30.步骤三：将装好的模具放入真空热压炉中，在真空条件下(真空度5*10-3
pa)，温度580℃，80mpa压力下真空热压1.5h，得到碳化硅纤维增强铝基的复合板材先驱体；
31.步骤四：将得到的碳化硅纤维增强铝基的复合材料先驱体用砂纸将表面打磨干净，同时剪裁79mm*19mm*0.5mm的6061-al板60片，将二者放入40g/l naoh溶液中浸泡30min，然后用30％ hno3进行酸洗3min处理，最后用蒸馏水清洗，擦干水渍；
32.步骤五：将处理好的铝板，取30片放入压力铸造模具底部，然后叠加处理好的碳化硅纤维增强铝基的复合材料先驱体，最后叠加剩余处理好的30片铝，盖上上模；
33.步骤六：将装好的压力铸造模具放入真空热压炉中，在真空条件下(真空度5*10-3pa)，温度680℃，50mpa压力下进行1h的压铸，保压至液态金属凝固；
34.步骤七：将压铸完成的模具取出，冷却后打开模具，将内部压力铸造成型的样品取出，再将两边多余的铝基体进行机加工、打磨切除掉，最终获得碳化硅纤维增强铝基复合板材，其拉伸强度在720mpa，抗弯强度为814mpa。
35.实施例2
36.本实施例提供一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
37.步骤一：剪裁长宽厚为79mm*19mm*0.1mm的6061-al板30片，放入40g/lnaoh溶液中浸泡30h，然后用30％ hno3酸洗3min，再水洗、擦干水渍，去除铝板表面的氧化膜；
38.步骤二：选取1k、纤维束丝直径9微米的碳化硅纤维束，经500℃、1.5h的去浆处理，再将纤维束与铝板相互叠层铺装在真空热压模具中；
39.步骤三：将装好的模具放入真空热压炉中，在真空条件下(真空度5*10-3
pa)，温度600℃，80mpa压力下真空热压1.5h，得到碳化硅纤维增强铝基的复合板材先驱体；
40.步骤四：将得到的碳化硅纤维增强铝基的复合材料先驱体用砂纸将表面打磨干净，同时剪裁79mm*19mm*0.5mm的6061-al板60片，将二者放入40g/l naoh溶液中浸泡30min，然后用30％ hno3进行酸洗3min处理，最后用蒸馏水清洗，擦干水渍；
41.步骤五：将处理好的铝板，取30片放入压力铸造模具底部，然后叠加处理好的碳化硅纤维增强铝基的复合材料先驱体，最后叠加剩余处理好的30片铝，盖上上模；
42.步骤六：将装好的压力铸造模具放入真空热压炉中，在真空条件下(真空度5*10-3pa)，温度710℃，50mpa压力下进行1h的压铸，保压至液态金属凝固；
43.步骤七：将压铸完成的模具取出，冷却后打开模具，将内部压力铸造成型的样品取出，再将两边多余的铝基体进行机加工、打磨切除掉，最终获得碳化硅纤维增强铝基复合板材，其拉伸强度在750mpa，抗弯强度为840mpa。
44.实施例3
45.本实施例提供一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
46.步骤一：剪裁长宽厚为79mm*19mm*0.1mm的6061-al板30片，放入40g/lnaoh溶液中浸泡30h，然后用30％ hno3酸洗3min，再水洗、擦干水渍，去除铝板表面的氧化膜；
47.步骤二：选取1k、纤维束丝直径9微米的碳化硅纤维束，经500℃、1.5h的去浆处理，再将纤维束与铝板相互叠层铺装在真空热压模具中；
48.步骤三：将装好的模具放入真空热压炉中，在真空条件下(真空度5*10-3
pa)，温度620℃，60mpa压力下真空热压1.5h，得到碳化硅纤维增强铝基的复合板材先驱体；
49.步骤四：将得到的碳化硅纤维增强铝基的复合材料先驱体用砂纸将表面打磨干净，同时剪裁79mm*19mm*0.5mm的6061-al板60片，将二者放入40g/l naoh溶液中浸泡30min，然后用30％ hno3进行酸洗3min处理，最后用蒸馏水清洗，擦干水渍；
50.步骤五：将处理好的铝板，取30片放入压力铸造模具底部，然后叠加处理好的碳化硅纤维增强铝基的复合材料先驱体，最后叠加剩余处理好的30片铝，盖上上模；
51.步骤六：将装好的压力铸造模具放入真空热压炉中，在真空条件下(真空度5*10-3pa)，温度710℃，70mpa压力下进行1h的压铸，保压至液态金属凝固；
52.步骤七：将压铸完成的模具取出，冷却后打开模具，将内部压力铸造成型的样品取出，再将两边多余的铝基体进行机加工、打磨切除掉，最终获得碳化硅纤维增强铝基复合板材，其拉伸强度在708mpa，抗弯强度为799mpa。
53.对比例1
54.步骤一：剪裁长宽厚为79mm*19mm*0.1mm的6061-al板30片，放入40g/lnaoh溶液中浸泡30h，然后用30％ hno3酸洗3min，再水洗、擦干水渍，去除铝板表面的氧化膜；
55.步骤二：选取1k、纤维束丝直径9微米的碳化硅纤维束，经500℃、1.5h的去浆处理，
再将纤维束与铝板相互叠层铺装在真空热压模具中；
56.步骤三：将装好的模具放入真空热压炉中，在真空条件下(真空度5*10-3
pa)，温度620℃，80mpa压力下真空热压1.5h，得到碳化硅纤维增强铝基的复合材料，其拉伸强度在605mpa，抗弯强度为700mpa；
57.对比例2
58.步骤一：剪裁长宽厚为79mm*19mm*0.1mm的6061-al板30片，放入40g/lnaoh溶液中浸泡30h，然后用30％ hno3酸洗3min，再水洗、擦干水渍，去除铝板表面的氧化膜；
59.步骤二：选取1k、纤维束丝直径9微米的碳化硅纤维束，经500℃、1.5h的去浆处理，再将纤维束与铝板相互叠层铺装在真空压力铸造模具中；
60.步骤三：将装好的压力铸造模具放入真空热压炉中，在真空条件下(真空度5*10-3pa)，温度700℃，80mpa压力下进行1h的压铸，保压至液态金属凝固；
61.步骤四：将压铸完成的模具取出，冷却后打开模具，将内部压力铸造成型的样品取出，再将两边多余的铝基体进行机加工、打磨切除掉，最终获得碳化硅纤维增强铝基复合板材，其拉伸强度在310mpa，抗弯强度为430mpa。