一种增强体强化铝基复合材料及其制备方法

1.本发明涉及一种铝基复合材料，尤其涉及一种增强体强化铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。


背景技术：

2.铝基复合材料因具有密度低、高比强、高比模、高耐磨性和低热膨胀系数等优异特性，已经广泛地应用到航空航天、汽车、电子封装等领域。但随着科技的发展，尤其是航空航天领域对材料性能的要求日益提高，迫切需要对铝基复合材料进行性能提升。目前，铝基复合材料主要分为颗粒增强铝基复合材料和纤维增强铝基复合材料。颗粒增强铝基复合材料虽然具有较高的强度，但是其断裂韧性较差，使用可靠性不足；纤维增强铝基复合材料，尤其是连续纤维增强铝基复合材料既能保证复合材料的强度，又能提高材料的断裂韧性和抗冲击性能等。
3.现有技术中，为了使得增强体与基体之间进行良好的结合，对制造环境的要求较高炉体要求在真空或者在氩气或氮气气氛保护下，且因为碳化硅与铝基体的润湿性差的问题，压制的时间较长。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种增强体强化铝基复合材料，该复合材料基于各层级间的协同作用，通过控制增强体层与铝基板层的体积比例，不仅有效减少了增强体的添加量，还大幅提升材料的抗拉强度和断裂韧性。
5.本发明的第二个目的在于提供一种增强体强化铝基复合材料的制备方法，该方法采用模具热压工艺，无需使用真空工艺，通过控制模具温度略低于铝基板的固溶点，从而控制铝基板与增强体间的浸润性和结合力，再结合增强体表面的化学镀改性和交叠铺层，进一步提升铝基板与增强体间的结合强度，从而实现复合材料抗拉强度和断裂韧性的大幅提升。
6.为了实现上述技术目的，本发明提供了一种增强体强化铝基复合材料，包括增强体层和铝基板层；所述增强体层与铝基板层随机交叠组成，且任意两层增强体层之间至少包含一层铝基板层；所述增强体层的总体积与铝基板层的总体积比为1：4.5～9。
7.本发明所提供的复合材料，基于增强体层和铝基板层间的协同作用，采用随机交叠方式组成，增加了增强体层对铝基板层的接触面积，提升了复合材料的断裂韧性；通过严格控制增强体层与铝基板层间的体积比，从而控制增强体与铝基板的结合力，不仅有效减少了增强体的添加量，还大幅提升了复合材料的抗拉强度。
8.增强体层与铝基板层的体积比要严格按照上述比例执行，若增强体层添加量过多，会导致纤维无法全部被铝基体包围，从而部分纤维和纤维之间无铝基体，在受力过程中无法有效传递载荷而影响整体强度；若增强体层添加量过少，则无法发挥增强相性能，直接影响增强效果。
9.作为一项优选的方案，所述增强体层表面覆盖有金属镀层，所述金属镀层的厚度为0.2～2μm。金属镀层的厚度要严格按照上述要求执行，若金属镀层厚度过低，会导致增强体与铝基板间的极性过大，无法起到浸润效果，若金属镀层厚度过后，则会导致金属镀层易从增强体层表面脱落、开裂，反而降低增强体与铝基板层间的结合力。
10.作为一项优选的方案，所述增强体层为碳化硅纤维布，碳化硅纤维布中碳化硅含量为85～95％。本发明所采用的碳化硅纤维布纯度需严格按照上述要求执行，若碳化硅纤维布纯度过低，则无法实现对铝基板的强化作用，且无法满足非真空环境下的高温高压制备工艺。
11.作为一项优选的方案，所述金属镀层为铜层和/或镍层。
12.作为一项优选的方案，所述铝基板层的厚度为0.1～0.8mm。
13.作为一项优选的方案，所述铝基板层为2系铝合金、6系铝合金和7系铝合金中的至少一种。
14.本发明还提供了一种增强体强化铝基复合材料的制备方法，将增强体层除胶后进行化学镀处理，得镀制强化体层；将镀制强化体层与除去氧化膜的铝基板层在模具中铺层，依次经模压和保压后，即得。
15.本发明所提供的制备方法采用模具热压工艺，无需在真空环境或保护气氛下进行，通过控制模具温度略低于铝基板的固溶点，从而控制铝基板与增强体间的浸润深度和结合力，大幅提升复合材料抗拉强度和断裂韧性。
16.作为一项优选的方案，所述除胶过程为加热增强体层后采用溶剂清洗；所述除胶过程的条件为：温度570～630℃，时间为30～60min。
17.作为一项优选的方案，所述溶剂为水、乙醇和丙酮中的任意一种。
18.作为一项优选的方案，所述溶剂清洗的条件为：超声清洗10～20min。
19.作为一项优选的方案，所述铝基板脱除氧化层的方法为强酸洗除、强碱洗除和打磨去除中的任意一种。
20.作为一项优选的方案，所述模压的条件为：压力为50～120mpa，温度为630～650℃。模压过程要严格按照上述要求执行，其中，温度必须略低于铝基板的固溶点，保证铝基板呈现半流体态，若温度过高，铝基板质地过软或为熔融态，无法实现快速锻压；若温度过低，则铝基板质地过硬，不仅无法与增强体间形成有效结合，反而会因为快速冲压产生裂纹，降低复合材料的力学性能。
21.作为一项优选的方案，所述保压的条件为：压力为50～120mpa，时间为5～30s。
22.与现有技术相比，本发明的优点在于：
23.1)本发明所提供的复合材料基于各层级间的协同作用，通过控制增强体层与铝基板层的体积比例，不仅有效减少了增强体的添加量，还大幅提升材料的抗拉强度和断裂韧性。
24.2)本发明所提供的技术方案中，采用模具热压工艺，无需在真空环境或保护气氛下进行，通过控制模具温度略低于铝基板的固溶点，从而控制铝基板与增强体间的浸润性和结合力，再结合增强体表面的化学镀改性和交叠铺层，进一步提升铝基板与增强体间的结合强度，从而实现复合材料抗拉强度和断裂韧性的大幅提升。
25.3)本发明所提供的技术方案中，通过快速冲压一体化成型，在保证复合材料的力
学强度的同时实现了快速成型，大幅缩短了制备时间，有效降低了制备成本，提高了产品产能，便于大规模工业化生产。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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；
27.图1为实施例1所制备镀铜纤维预制体单丝sem；
28.图2为实施例1所制备的复合板断口sem；
29.图3为实施例1所制备复合板扫描电镜。
具体实施方式
30.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
31.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
32.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
33.实施例1
34.一种碳化硅纤维布增强铝基复合板的制备方法，包括以下步骤：
35.(1)碳化硅纤维布的处理：将碳化硅纤维布在600℃进行除胶30min，除胶后用丙酮进行清洗10min，然后烘干后化学镀铜处理，得到含有铜层的碳化硅纤维布预制体；
36.(2)铝基板的处理：选用型号为6061，厚度为0.3mm的铝合金轧板，进炉加热前30min打磨抛光去除氧化膜；
37.(3)最终样品的制备：将碳化硅纤维布预制体与铝基板按照铝基板——碳化硅纤维布预制体——铝基板的顺序交替铺在模具内升温到630℃后施加压力100mpa，保压5s后，得到所述碳化硅纤维布增强铝基复合板；
38.本实施例制备的碳化硅纤维布增强铝基复合材料尺寸为碳化硅纤维增强体的体积分数为18％左右，抗拉强度可达到350mpa。
39.实施例2
40.一种碳化硅纤维布增强铝基复合板的制备方法，包括以下步骤：
41.(1)碳化硅纤维布的处理：将碳化硅纤维布在600℃进行除胶30min，除胶后用丙酮进行清洗10min，然后烘干后化学镀铜处理，得到含有铜层的碳化硅纤维布预制体；
42.(2)铝基板的处理：选用型号为6061，厚度为0.3mm的铝合金轧板，进炉加热前30min用30％naoh溶液和20％hno3溶液清洗去除氧化膜；
43.(3)最终样品的制备：将碳化硅纤维布预制体与铝基板按照铝基板——碳化硅纤维布预制体——铝基板的顺序交替铺在模具内升温到650℃后施加压力50mpa，保压15s后，
得到所述碳化硅纤维布增强铝基复合板；
44.实施例制备的碳化硅纤维束增强铝基复合材料尺寸为碳化硅纤维增强体的体积分数为15％左右，抗拉强度达到330mpa。
45.对比例1
46.一种碳化硅纤维布增强铝基复合板的制备方法，包括以下步骤：
47.(1)碳化硅纤维布的处理：将碳化硅纤维布在600℃进行除胶30min，除胶后用丙酮进行清洗10min，得到碳化硅纤维布预制体；
48.(2)铝基板的处理：选用型号为6061，厚度为0.3mm的铝合金轧板，进炉加热前30min打磨抛光去除氧化膜；
49.(3)最终样品的制备：将碳化硅纤维布预制体与铝基板预制体按照铝基板——碳化硅纤维布预制体——铝基板的顺序交替铺在模具内升温到650℃后施加压力20mpa，保压1h后，得到所述碳化硅纤维布增强铝基复合板；
50.实施例制备的碳化硅纤维束增强铝基复合材料尺寸为碳化硅纤维增强体的体积分数为40％左右，抗拉强度100mpa。
51.对比例2
52.一种碳化硅纤维布增强铝基复合板的制备方法，包括以下步骤：
53.(1)碳化硅纤维布的处理：将碳化硅纤维布在600℃进行除胶30min，除胶后用丙酮进行清洗10min，然后烘干后化学镀铜处理，得到含有铜层的碳化硅纤维布预制体；
54.(2)铝基板的处理：选用型号为6061，厚度为0.3mm的铝合金轧板，进炉加热前30min用30％naoh溶液和20％hno3溶液清洗去除氧化膜；
55.(3)最终样品的制备：将碳化硅纤维布预制体与铝基板按照铝基板——碳化硅纤维布预制体——铝基板的顺序交替铺在模具内，将模具置于真空热压炉内，将真空度抽至小于10-2
pa，升温到650℃后施加压力50mpa，保压15s后，得到所述碳化硅纤维布增强铝基复合板；
56.实施例制备的碳化硅纤维束增强铝基复合材料尺寸为碳化硅纤维增强体的体积分数为15％左右，抗拉强度达到320mpa。
57.对比例3
58.一种碳化硅纤维布增强铝基复合板的制备方法，包括以下步骤：
59.(1)碳化硅纤维布的处理：将碳化硅纤维布在600℃进行除胶30min，除胶后用丙酮进行清洗10min，然后烘干后化学镀铜处理，得到含有铜层的碳化硅纤维布预制体；
60.(2)铝基板的处理：选用型号为6061，厚度为0.3mm的铝合金轧板，进炉加热前30min打磨抛光去除氧化膜；
61.(3)最终样品的制备：将碳化硅纤维布预制体与铝基板按照铝基板——碳化硅纤维布预制体——铝基板的顺序交替铺在模具内升温到600℃后施加压力100mpa，保压5s后，得到所述碳化硅纤维布增强铝基复合板；
62.本实施例制备的碳化硅纤维布增强铝基复合材料尺寸为碳化硅纤维增强体的体积分数为18％左右，抗拉强度可达到118mpa。