一种界面改性纤维增强金属基复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种界面改性纤维增强金属基复合材料及其制备方法 (Interface modified fiber reinforced metal matrix composite material and preparation method thereof ) 是由 陈照峰 廖家豪 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种界面改性纤维增强金属基复合材料,体积密度小于3.0g/cm～3,由增强纤维、界面层和金属基体组成。制备方法包括以下步骤：将增强纤维织成纤维预制体,先后制备化学气相渗透涂层和化学镀涂层,然后将铝合金或铜合金熔体压铸到纤维预制体中,冷却得到界面改性纤维增强金属基复合材料。本发明制备复合材料纤维和金属基体结合稳定,材料性能优异,抗弯强度、弹性模量、布氏硬度均大幅度提高,服役温度也分别高出铝合金、铜合金100℃以上,在高温动载领域有重要应用价值。(The invention discloses an interface modified fiber reinforced metal matrix composite material, the volume density of which is less than 3.0g/cm 3 Consists of reinforcing fiber, interface layer and metal matrix. The preparation method comprises the following steps: weaving the reinforced fiber into a fiber preform, preparing a chemical vapor infiltration coating and a chemical plating coating in sequence, then die-casting an aluminum alloy or copper alloy melt into the fiber preform, and cooling to obtain the interface modified fiber reinforced metal matrix composite. The composite material fiber prepared by the invention is stably combined with the metal matrix, and has excellent material performance, bending strength, elastic modulus,The Brinell hardness is greatly improved, the service temperature is also higher than that of aluminum alloy and copper alloy by more than 100 ℃, and the high-temperature dynamic load bearing alloy has important application value in the field of high-temperature dynamic load.)
技术领域
本发明涉及一种纤维增强金属基复合材料及其制备方法，特别涉及一种界面改性纤维增强金属基复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和高硅氧纤维作为典型的高性能无机纤维，具有轻质、高比强、高比模、耐高温、耐化学腐蚀和低热膨胀系数等优点，已经广泛的应用于航空航天、高铁、汽车、体育用品和核工业等领域。
但是由于无机纤维表面惰性大、缺少具有活性的官能团，当其与金属材料复合时，二者存在明显的成分差别和界面不相容性，而且无机纤维与金属的润湿效果较差，所以二者复合时存在较多问题。因此，对高性能无机纤维进行表面改性至关重要。
化学镀是一种绿色环保、成本较低、应用较广泛的表面金属化改性方法，利用化学镀技术制备的镀层均匀、牢固且成分易于控制，化学镀已成为无机纤维表面界面改性的常用制备技术之一。
申请公告号为CN107058986A的中国发明专利公开了一种在碳纤维表面化学镀镍的方法，具体方法为：(1)预处理：碳纤维的预处理分为脱脂处理、粗化处理、敏化处理、活化处理；(2)配置镀液：以去离子水为溶液，依次加入如下成分：主盐：六水合硫酸镍30～45g/L，配合剂：氯化铵25～30g/L，稳定剂、络合剂：柠檬酸钠15～25g/L，用氢氧化钠溶液调节pH值为10～11；(3)经过预处理的碳纤维浸入步骤二配置的镀液中，待镀液温度升至80～100℃时，将25ml/L的水合肼溶液缓慢滴加到镀液中进行还原；(4)将还原后的碳纤维置于80～100℃的真空干燥箱中干燥。
申请公告号为CN108342721A的中国发明专利公开了一种玻璃纤维表面化学镀Ni-Co-Pr-B四元合金镀液及其制备方法，包括以下操作步骤：(1)玻璃纤维预处理；(2)将氯化镍、氯化钴、硫酸镨、硼氢化钠、酒石酸钠钾、焦亚硫酸钠和乙二胺分别用蒸馏水溶解；(3)将步骤(2)中完全溶解的氯化镍、氯化钴、硫酸镨、焦亚硫酸钠和乙二胺溶液混合均匀后，加入到酒石酸钠钾溶液中，搅拌均匀；(4)将硼氢化钠溶液缓慢加入步骤(2)所配好的溶液，稀释，用氢氧化钠调节pH值为11～14；(5)将步骤(1)中预处理后的玻璃纤维加入到步骤(3)配制好的镀液中进行化学镀锡镍，施镀温度55～90℃；(6)将步骤(5)制备获得的镀Ni-Co-Pr-B玻璃纤维烘干。
申请公告号为CN109161876A的中国发明专利公开了一种尼龙纤维表面化学镀银方法，包括以下步骤：(1)除油：取定量的纤维放入洁净的容器中，向容器内加入用于降低纤维的表面张力的碱性除油剂；(2)敏化液A敏化处理：将步骤(1)所得的纤维完全浸没于现配的敏化液A中，使纤维表面吸附一层具有催化活性的金属；(3)敏化液B敏化处理：将步骤(2)所得的纤维完全浸没于现配的敏化液B中，使纤维表面的羰基官能团与敏化液B中的羟基官能团形成氢键；(4)活化：将步骤(3)所得的纤维完全浸没于现配的银氨溶液中；(5)向步骤(4)所得的溶液中加入定量的葡萄糖还原液。
目前，无机纤维采用化学镀法进行表面改性处理时，都是在还原处理后将纤维直接取出放入烘箱中干燥，这样易导致纤维丝束间的镀层粘连在一起，在金属基体的复合过程中，金属较难填充到纤维束内，从而影响复合材料的性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种界面改性纤维增强金属基复合材料及其制备方法，在化学镀法制备界面层时加入正己烷，从而克服现有材料及技术的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种界面改性纤维增强金属基复合材料，体积密度小于3.0g/cm3，由增强纤维、界面层和金属基体组成，其特征在于增强纤维预先织成纤维预制体，界面层均匀地包裹在纤维表面，金属基体原位填充在纤维预制体中；所述的增强纤维为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、高硅氧纤维中的一种；所述的纤维预制体结构为2D叠层、2.5D机织、3D编织、针刺碳毡中的一种，纤维体积分数为15～45％；所诉的界面层为化学气相渗透界面和化学镀界面复合层；所述的金属基体为镁合金、铝合金中的一种。
一种界面改性纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将纤维编织成需要的构件形状，形成预制体，然后通过化学气象渗透法在纤维表面制备热解碳界面层，或氧化硅界面层，或碳化硅界面层，或氧化锆界面层；
(2)然后将纤维预制体依次进行除胶处理、粗化处理、敏化处理、活化处理；
(3)配制化学镀原液，将步骤(2)中处理好的纤维预制体浸入化学镀原液中，超声振动并加热至70～100℃，并保温1～5min，然后缓慢加入还原剂进行还原，加完还原剂后继续老化30～60min；化学镀液中含Ni、Cu、Ag中的一种离子；
(4)在步骤(3)还原好的化学镀原液表层加入正己烷，然后将纤维预制体取出，室温晾干5～15min，再放入真空烘箱中干燥2～6小时，得到化学镀界面层的纤维预制体；
(5)将步骤(4)中制备好界面层的纤维预制体装入模具中固定好，放入浸渗炉中真空环境预热至500～700℃，然后将金属熔液注入到模具中，注入完毕后加压至1.5～5.0MPa，保温保压后随炉冷却得到界面改性纤维增强金属基复合材料。与现有材料及技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)在纤维浸入化学镀原液并加热至还原温度后保温一段时间，使原液和纤维内外温度均匀，保证了还原过程中镀层的均匀性和一致性；(2)在还原后的化学镀原液表层加入正己烷，使纤维取出时纤维丝束镀层外包裹一层碳氢化合物，避免丝束间镀层相粘连，从而保证纤维丝束镀层的致密性和均匀性；(3)将增强纤维织成纤维预制体，提高了复合材料的整体结构稳定性、抗冲击性能和损伤容限。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例
以热解碳和金属铜为界面改性纤维增强金属基复合材料，体积密度为2.5g/cm3，由增强碳化硅纤维、界面层和铝金属基体组成，其特征在于增强纤维预先织成纤维预制体，界面层均匀地包裹在纤维表面，金属基体原位填充在纤维预制体中；所述的增强纤维为碳化硅纤维结构为2.5D机织，纤维体积分数为35％；所述的界面层为热解碳和Cu，界面层厚度为0.5μm；所述的金属基体为铝合金。
上述复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将纤维编织成需要的构件形状，形成预制体，以甲烷为前驱体，然后通过化学气象渗透法在纤维表面制备热解碳界面层。
(2)然后将纤维预制体依次进行除胶处理、粗化处理、敏化处理、活化处理；
(3)配制化学镀铜原液，将步骤(2)中处理好的纤维预制体浸入化学镀原液中，超声振动并加热至90℃，并保温3min，然后缓慢加入还原剂进行还原，加完还原剂后继续老化50min；
(4)在步骤(3)还原好的化学镀原液表层加入正己烷，然后将纤维预制体取出，室温晾干10min，再放入真空烘箱中干燥3小时，得到化学镀界面层的纤维预制体；
(5)将步骤(4)中制备好界面层的纤维预制体装入模具中固定好，放入浸渗炉中真空环境预热至550℃，然后将铝合金体注入到模具中，注入完毕后加压至3.0MPa，保温保压后随炉冷却得到界面改性纤维增强金属基复合材料。
该实施例制备的复合材料抗弯强度大于400MPa，开气孔率＜1.5％，与铝合金相比，弹性模量高出200％，布氏硬度高出300％，服役温度高出100℃，在高温动载领域有重要应用价值。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。