短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法及其装置
阅读说明：本技术 短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法及其装置 (Preparation method and device of chopped carbon fiber reinforced amorphous composite material ) 是由 王新 尹海龙 赵立臣 刘水清 崔春翔 于 2020-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法及其装置,涉及通过把纤维与熔融金属接触并通过快速凝固形成非晶复合材料的技术领域,该方法采用化学镀法改善碳纤维润湿性,通过铜模制备碳纤维预制体,进而用真空低压铸造法即喷铸法制备短切碳纤维增强非晶复合材料,克服了现有技术中增强纤维在基体中分散不均匀引起的纤维团聚现象或碳纤维与基体在界面处生成脆性相等界面组织的,以及仅适用于传统镁合金基体,无法实现较快的冷却速度并获得非晶态基体,无法针对需要真空熔炼的各种非晶合金基体制备非晶复合材料的缺陷。(The invention discloses a preparation method and a device of a chopped carbon fiber reinforced amorphous composite material, and relates to the technical field of forming amorphous composite materials by contacting fibers with molten metal and quickly solidifying.)
技术领域
本发明的技术方案涉及通过把纤维与熔融金属接触并通过快速凝固形成非晶复合材料的技术领域，具体地说是短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法及其装置。
背景技术
碳纤维增强金属基复合材料由于具有高比强度、高比模量和良好的高温性能，因而在汽车、航空、航天诸多高技术领域引起广泛关注。随着航空科技的迅猛发展，各类碳纤维复合材料的用量在新型客机制造中的使用比例越来越高，展现出诱人的发展前景。传统的碳纤维增强金属基复合材料主要是以铝合金和镁合金这样密度较低、塑性好的合金为基体，但其强度低的弱点使复合材料的力学性能提升幅度受到了限制。同时，由于存在着制备工艺复杂、气孔率高、碳纤维分布不均匀、碳纤维与基体间的润湿性欠佳、不良界面反应导致界面结合的问题，碳纤维增强金属基复合材料的实测性能指标往往低于设计性能指标。这些问题多与复合材料的界面组织缺陷有关，因此控制界面反应、消除界面缺陷、优化界面微结构是碳纤维增强金属基复合材料的发展所面临的一个关键问题。
选择高强金属作为基体对于复合材料的强韧化设计具有重要意义。非晶合金不具备晶体中的位错和晶界一类传统塑性变形机制，导致其变形更困难，因此非晶合金的强度比相应晶态合金更高。以高强非晶合金为基体的碳纤维复合材料引起了国际材料界的重视。美国学者采用真空液相压力浸渗法制备了长碳纤维增强Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5(Vit1)非晶复合材料[C.P.Kim,R.Busch,A.Masuhr,H.Choi-Yim,W.L.Johnson,Processing of carbon-fiber-reinforcedZr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5 bulk metallic glass composites,Applied PhysicsLetters,2001,79(10):1456-1458.]，但是存在碳纤维与基体发生严重的界面反应，难以获得理想的塑性的缺陷。中科院金属所的学者将短碳纤维和非晶合金粉末在室温混合并冷压成毛坯后采用感应加热喷铸的方法制备了短切碳纤维增强Zr50.5Cu36.45Ni4.05Al9非晶复合材料[J.M.Liu,H.F.Zhang,X.G.Yuan,H.M.Fu,Z.Q.Hu,Synthesis and properties ofcarbon short fiber reinforced ZrCuNiAl metallic glass matrix composite,Materials Transactions,2011,52(3):412-415.]，实现了复合材料的强化，但存在没有明显改善其塑性的缺陷。澳大利亚学者选用与碳化学亲和力更低的镁基非晶合金为基体，采用过冷液相区扩散成型的方法制备了长碳纤维增强Mg65Cu25Y10非晶复合材料[K.F.Shamlaye,K.J.Laws,M.Ferry,Supercooled liquid fusion of carbon fibre-bulkmetallic glass composites with superplastic forming properties,ScriptaMaterialia,2016,111:127-130.]，发现基体与碳纤维没有明显的界面反应并实现了复合材料抗弯强度的提升，但其依然存在没有显著提高其塑性的缺陷。上述研究报告表明，对于碳纤维增强非晶复合材料而言，控制界面润湿性和界面反应是一个关键问题，选用适当的基体合金和妥善的碳纤维表面改性方法调控复合材料的界面组织结构是一种可行的制备策略。CN101956148B公开了一种双重复合高强韧块体非晶合金及其制备方法，使用石英管或者不锈钢管作为增强纤维的容器，经过熔融金属液体压渗后采用淬火水冷的方法获得含有非晶相的复合材料。然而，这种方法存在冷却速率较低，难以达到100K/s以上，无法针对更多的非晶合金体系制备复合材料的缺陷。CN101250677A公开了一种二氧化钛碳涂层碳纤维增强镁基复合材料，该复合材料主要由基体镁合金和具有TiO2涂层的碳纤维组成，碳纤维表面TiO2涂层由溶胶凝胶法制得，镁合金原料通SF6和CO2混合气体保护，升温至700℃使合金熔化，将具有TiO2涂层的碳纤维预热到400℃，放置在预热到200℃金属模具中，将熔化的合金液浇铸到金属模具中，在压力下成型，挤压压力为10MPa，保压时间60秒，得到TiO2涂层碳纤维增强镁基复合材料，其存在该方法仅适用于传统镁合金基体，无法实现较快的冷却速度并获得非晶态基体的缺陷。CN111155038A公开了一种短切碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，该方法使用溶胶凝胶法在碳纤维表面制备氧化物涂层，其存在合金的含氧量高而不利于复合材料基体结构的非晶化，短切碳纤维预制体的制备工序复杂，采用挤压铸造和热挤压的方法不适用于需要快速凝固技术的非晶复合材料的制备的缺陷。CN108385040B公开了一种短切碳纤维增强镁铝基复合材料及其制备方法，其存在没有对短切碳纤维进行表面改性，故碳纤维与金属液体间的润湿性较差，不利于复合材料的成型，当金属液体与碳纤维反应活性较大时，将加剧界面反应，破坏复合材料界面结构和力学性能的缺陷。上述现有技术还存在仅仅针对镁铝合金基体，无法针对需要真空熔炼的各种非晶合金基体制备非晶复合材料的缺陷。
总之，现有技术存在增强纤维在基体中分散不均匀引起的纤维团聚现象或碳纤维与基体在界面处生成脆性相的界面组织，以及仅适用于传统镁合金基体，无法实现较快的冷却速度并获得非晶态基体，无法针对需要真空熔炼的各种非晶合金设计并制备非晶复合材料的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法及其装置，采用化学镀法改善碳纤维润湿性，通过铜模制备碳纤维预制体，进而用真空低压铸造法即喷铸法制备短切碳纤维增强非晶复合材料，克服了现有技术中增强纤维在基体中分散不均匀引起的纤维团聚现象或碳纤维与基体在界面处生成脆性相等界面组织的，以及仅适用于传统镁合金基体，无法实现较快的冷却速度并获得非晶态基体，无法针对需要真空熔炼的各种非晶合金基体制备非晶复合材料的缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法，采用化学镀法改善碳纤维润湿性，通过铜模制备碳纤维预制体，进而用真空低压铸造法即喷铸法制备短切碳纤维增强非晶复合材料，具体步骤如下：
第一步，短切碳纤维化学镀：
采用商用T200、T700或T800碳纤维进行剪切，获得长度为30μm～0.8mm的短切碳纤维，再使用20目～400目的筛网进行筛分，取筛下的短切碳纤维进行化学镀铜或镀镍处理，得到具有由薄化学镀层包覆完好的化学镀短切碳纤维；
或者将上述筛下的短切碳纤维织造成短碳纤维毡布，再进行化学镀铜或镀镍处理，得到具有由薄化学镀层包覆完好的化学镀短碳纤维毡布；
由此完成短切碳纤维化学镀；
第二步，块体非晶合金母合金铸锭的制备：
根据所选用的基体合金的组成成分称量所需用量的组分，将称量好的组分原材料配料均放入高真空感应熔炼炉或高真空电弧炉内进行熔炼，熔炼前先将高真空感应熔炼炉或高真空电弧炉抽取至真空度为-1.0×10-4Pa～-1.0×10-2Pa，随后充入氩气至真空度为-0.3MPa～-0.6MPa，组分原材料配料在900℃～1800℃温度下进行熔炼，熔炼成液体后随炉冷却，制得块体非晶合金母合金铸锭，将该母合金铸锭破碎成小块待用；
第三步，短切碳纤维预制体的制备：
将上述第一步得到的化学镀短切碳纤维或化学镀短碳纤维毡布装填入铜模内腔中，铜模内腔的直径为2mm～30mm，通过10g～50g的标准天平砝码施加压力，摇床摇动或震床震动进行压制以调节碳纤维间的孔隙尺寸为50μm～300μm，由此制备成短切碳纤维预制体；
第四步，短切碳纤维增强非晶复合材料的制备：
将上述第二步制备的块体非晶合金母合金铸锭的碎块置于一个石英管的粗管部分内，该石英管下端有一个喷口，其直径为0.5mm～2mm，再将该石英管装载在具有封闭式炉体的高真空感应加热喷铸炉内，将该封闭式炉体抽真空度至-1.0×10-3Pa～-1.0×10-1Pa，随后充入氩气至真空度为-0.3MPa～-0.5MPa，通过水冷感应加热线圈将该石英管粗管部分内的块体非晶合金母合金铸锭的碎块熔化成熔体，采用氩气作为压力源，以0.2MPa～2MPa的正压将上述熔体通过石英管下端的喷口吹入处于负压状态的上述第三步的装有制备成的短切碳纤维预制体的铜模的内腔内，块体非晶合金母合金铸锭的碎块熔化成的熔体在压力浸渗下完全充入短切碳纤维预制体的孔隙中，同时由铜模提供400K/s～1000K/s的冷却速度使短切碳纤维增强非晶复合材料快速成型，待冷却后取出直径为2mm～30mm，长度为5mm～20cm的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒，由此采用真空低压铸造法即喷铸法完成短切碳纤维增强非晶复合材料的制备。
上述短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法，其中所述基体合金成分的组成以百分原子比at.％表示分别为：Ti37.3Zr22.7Be25.5Fe5.5Cu9、Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5或Mg59.5Cu22.9Ag6.6Gd11。
上述短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法，所述得到具有由薄化学镀层包覆完好的化学镀短切碳纤维或化学镀短碳纤维毡布，该薄化学镀层的厚度为100nm～800nm。
上述短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法，所述将上述第一步得到的化学镀短切碳纤维或化学镀短碳纤维毡布装填入铜模内腔中，采用完全填充、部分填充或模具内表面粘贴方式中的任意一种。
上述短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法，其中所使用的原料和设备均通过公知途径获得，操作方法是本专业领域的技术人员能够掌握的。
上述短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法所用的装置，具体构成如下：
短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法所用的装置的构成部件包括：进气口、封闭式的高真空感应加热喷铸炉炉体、粗管部分下端带有一个直径为0.5mm～2mm喷口的石英管、水冷感应加热线圈、高温胶泥、内腔直径为2mm～30mm的分体式铜模、封闭式的高真空感应加热喷铸炉炉体下方一侧设有用于气体出口的连接真空系统的阀门；该装置的各个构成部件的连接方式是：分体式铜模置于封闭式的高真空感应加热喷铸炉炉体内部中央位置，水冷感应加热线圈设置在石英管的粗管部分的周围，石英管的喷口部分从分体式铜模顶部与分体式铜模的内腔接触连通并使用高温胶泥封好避免漏气，石英管的粗管部分的顶部设有盖子，盖子的中央设有进气口；
上述短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法所用的装置的操作方法是：在制备短切碳纤维增强非晶复合材料时，先将碳纤维预制体放入分体式铜模的内腔，将块体非晶合金母合金铸锭的碎块放入石英管的粗管部分内，再通过阀门连接的真空系统将封闭式的高真空感应加热喷铸炉炉体抽取至所需的真空度为-1.0×10-4Pa～-1.0×10-2Pa，随后充入氩气至真空度为-0.3MPa～-0.5MPa，再后利用水冷感应加热线圈将母合金原料熔化形成非晶合金熔体，通过进气口施加所需压力为0.2MPa～2MPa的正压的氩气，将非晶合金熔体喷入处于负压状态的分体式铜模的内腔，非晶合金熔体在压力浸渗下完全充入短切碳纤维预制体的孔隙中，同时由分体式铜模提供400K/s～1000K/s的冷却速度使短切碳纤维增强非晶复合材料快速成型，待冷却后取出直径为2mm～30mm，长度为5mm～20cm的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒。
上述短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法所用的装置的构成部件是通过公知途径获得的，其连接方式和操作方法是本领域技术人员所能掌握的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著进步：
(1)本发明使用化学镀法在短切碳纤维表面涂覆金属涂层，以改善碳纤维与基体非晶合金的润湿性。化学镀铜或镀镍法对碳纤维进行表面改性，引入的氧含量低，引入的铜或镍对Ti基、Zr基和Mg基非晶合金的非晶形成能力的负面破坏作用小，因此有利于非晶态结构的基体的形成。
(2)与CN101956148B一种双重复合高强韧块体非晶合金及其制备方法相比，本发明具有的突出的实质性特点和显著进步是：1)本发明采用化学镀铜或镀镍法对碳纤维进行表面改性，提高了碳纤维与非晶合金液体的润湿性；2)本发明采用铜模对复合材料进行冷却，冷却速度明显快于CN101956148B中所涉及的水淬法。
(3)与CN101250677A一种二氧化钛涂层碳纤维增强镁基复合材料相比，本发明具有的突出的实质性特点和显著进步是：1)本发明采用金属镀层所含金属元素均是对基体合金的非晶形成能力有益的元素，不会向非晶合金基体中引入CN101250677A中的TiO2这样的无机氧化物，从而破坏基体合金的非晶形成能力；2)针对如锆和钛一类高熔点、易氧化的金属液体，本发明采用真空熔炼，CN101250677A仅针对低熔点镁合金，适用性有限；3)本发明采用真空低压铸造，气体吸入量少，明显降低了复合材料中的气体和气孔，而CN101250677A技术中缺少真空除气过程。
(4)与CN111155038A一种短切碳纤维增强镁基复合材料的制备方法相比，本发明具有的突出的实质性特点和显著进步是：1)本发明采用化学镀铜或镀镍法对碳纤维进行表面改性，引入的氧含量低，引入的铜和镍对钛基、锆基和镁基非晶合金的非晶形成能力的负面作用小，因此有利于非晶态结构的形成；2)本发明采用了两种制备过程更简单的短切碳纤维化学镀，其一是取筛下的短切碳纤维进行化学镀铜或镀镍处理，其二是短切碳纤维织造成短碳纤维毡布，再进行化学镀铜或镀镍处理，得到化学镀短切碳纤维或化学镀短碳纤维毡布，这两种制备过程都比CN111155038A公布的工艺过程更简化；3)本发明中短切碳纤维增强非晶复合材料的制备采用真空低压铸造法，与CN111155038A采用的挤压铸造和热压法相比，降低了气孔率并防止金属液体的氧化，更适用于非晶合金的生产。
(4)与CN108385040B一种短切碳纤维增强镁铝基复合材料及其制备方法相比，本发明具有的突出的实质性特点和显著进步是：1)本发明采用化学镀铜或镀镍，改善了碳纤维和金属间的润湿性，在提高润湿性的同时避免界面反应，而CN108385040B仅仅通过碳纤维的预热处理来增强其润湿性，无法避免金属液体与碳纤维的接触性界面反应；2)本发明采用铜模作为碳纤维预制体的容器，在复合材料制备过程中避免了金属液体与碳纤维的长时间接触，从而避免了复杂的界面反应，而CN108385040B采用半固态搅拌的方法，金属液体与碳纤维接触时间长，产生不可控的界面反应；3)CN108385040B的技术方案仅适用于传统镁铝合金，对于易于发生界面反应的非晶合金体系则不适用，而本发明针对非晶合金基体进行技术创新，特别适用于非晶复合材料的制备。
(5)本发明的化学镀法所制备的金属镀层均匀，工艺设备简单成本较低且易于操控。镀层的厚度为100nm～800nm，晶粒尺寸小，在复合材料制备过程中与基体合金熔化但不降低锆基、镁基和钛基非晶合金的非晶形成能力，有效地改善了碳纤维与非晶合金基体的润湿性，镀层的熔化可以保证碳纤维不发生化学反应，改善碳纤维和非晶合金基体的界面微结构，提高非晶复合材料的强度。
(6)使用标准的纯铜模具作为碳纤维预制体的容器和非晶合金基体铸造成型的模具。铜模铸造法是一种通用的铸造方法，其过程简单可操作性佳。铜模内腔的形状和尺寸可以根据铸件要求进行设计。短切碳纤维或短碳纤维毡布的装填采用完全填充、部分填充、模具内表面粘贴等方式，实现了局部碳纤维复合化的复杂结构非晶合金构件的制备。化学镀短切碳纤维或化学镀短碳纤维毡布装填入铜模内腔中后，通过10g～50g的标准天平砝码重量的重物、摇床摇动或震床震动进行压制以调节碳纤维间的孔隙尺寸，这种方法为非晶基体提供高达400K/s～1000K/s的冷却速度，还保证了复合材料中碳纤维的均匀分布，并保证了铸件外形和尺寸的要求。
(7)本发明与传统的压力浸渗-水淬冷却法相比，工艺更简单，复合材料液相浸入的时间较短，复杂耗时的界面反应尚未进行复合材料的制备就已经完成，有效地控制界面反应的发生，后续通过加热到非晶合金过冷液相区进行压制成型，不仅能够克服制得的复合材料的孔隙率高，非晶基体浸渗不足的缺陷，还能制备形状更复杂的零部件。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法所用装置的结构示意图。
图2为本发明方法制备的非晶复合材料圆棒的范例示意图。
图3本发明方法制备的短碳纤维增强钛基非晶复合材料与钛基非晶基体合金的XRD谱图的对比。
图4(a)为短碳纤维增强钛基非晶复合材料中的碳纤维与基体间的界面处的SEM图像。
图4(b)为短碳纤维增强钛基非晶复合材料中的碳纤维与基体间的界面处的EDS线扫描能谱图。
图5为本发明方法制备的压缩变形后的非晶复合材料圆棒侧面的碳纤维与非晶复合材料样品表面的剪切带的交互作用的SEM图。
图6为本发明方法的流程示意框图。
图中，1.进气口，2.封闭式的高真空感应加热喷铸炉炉体、3.粗管部分下端带有一个直径为0.5mm～2mm喷口的石英管，4.水冷感应加热线圈，5.非晶合金熔体，6.高温胶泥，7.碳纤维预制体，8.分体式铜模，9.阀门，10.短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒，11.未浸润碳纤维预制体，12.非晶复合材料样品表面的剪切带，13.压缩变形后的非晶复合材料圆棒侧面的碳纤维。
具体实施方式
图1所示实施例表明，短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法所用的装置的构成部件包括：进气口1、封闭式的高真空感应加热喷铸炉炉体2、粗管部分下端带有一个直径为0.5mm～2mm喷口的石英管3、水冷感应加热线圈4、高温胶泥6、内腔直径为2mm～30mm的分体式铜模8、闭式的炉体2下方一侧设有用于气体出口的连接真空系统的阀门9；该装置的各个构成部件的连接方式是：分体式铜模8置于闭式的炉体2内部中央位置，水冷感应加热线圈4设置在石英管3的粗管部分的周围，石英管3的喷口部分从分体式铜模8顶部与分体式铜模8的内腔接触连通并使用高温胶泥6封好避免漏气，带有石英管3的粗管部分的顶部设有盖子，盖子的中央设有进气口1。
图2所示实施例表明，利用内腔直径为5mm的分体式铜模8制备短切碳纤维增强非晶复合材料，冷却开模后获得长度为35mm的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒10，其余部分为未浸润碳纤维预制体11。
图3所示实施例表明，本发明方法制备的短切碳纤维增强钛基非晶复合材料与钛基非晶基体合金的XRD谱图的对比，本发明方法制备的短碳纤维增强钛基非晶复合材料与钛基非晶基体合金的X射线衍射谱图均具有典型的非晶态特征，本发明方法制备的短碳纤维增强钛基非晶复合材料的非晶漫散射峰可分解为两个，其一为碳纤维的漫散射峰，其二为基体非晶合金的漫散射峰。
图4(a)所示实施例表明，在本发明制得的短切碳纤维增强钛基非晶复合材料中的碳纤维与基体间的界面处没有明显的碳化物存在，碳纤维的形状维持了原状，说明没有发生界面反应。
图4(b)所示实施例表明，在本发明制得的短切碳纤维增强钛基非晶复合材料中钛和锆元素的含量没有在界面处增高的现象，进一步证明界面上的碳化反应被成功抑制。
图5所示实施例表明，本发明方法制得的短切碳纤维增强钛基非晶复合材料经压缩变形后的非晶复合材料圆棒侧面的碳纤维13与非晶复合材料样品表面的剪切带12形成了明显的交互作用，证明短切碳纤维有提高基体非晶合金塑性变形能力的作用。
图6所示实施例表明，本发明方法的流程是：短切碳纤维化学镀→短切碳纤维预制体的制备+块体非晶合金母合金铸锭的制备→短切碳纤维增强非晶复合材料的制备。
实施例1
短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法所用的装置的构成部件包括：进气口1、封闭式的高真空感应加热喷铸炉炉体2、粗管部分下端带有一个直径为0.5mm～2mm喷口的石英管3、水冷感应加热线圈4、高温胶泥6、内腔直径为2mm～30mm的分体式铜模8、闭式的炉体2下方一侧设有用于气体出口的连接真空系统的阀门9；该装置的各个构成部件的连接方式是：分体式铜模8置于闭式的炉体2内部中央位置，水冷感应加热线圈4设置在石英管3的粗管部分的周围，石英管3的喷口部分从分体式铜模8顶部与分体式铜模8的内腔接触连通并使用高温胶泥6封好避免漏气，带有石英管3的粗管部分的顶部设有盖子，盖子的中央设有进气口1；
上述短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法所用的装置的操作方法是：在制备短切碳纤维增强非晶复合材料时，先将短碳纤维或短碳纤维布预制体7放入分体式铜模8的内腔，将块体非晶合金母合金铸锭的碎块放入石英管3的粗管部分内，再通过阀门9连接的真空系统将封闭式的高真空感应加热喷铸炉炉体2抽取至所需的真空度为-1.0×10-4Pa～-1.0×10-2Pa，随后充入氩气至真空度为-0.3MPa～-0.5MPa，再后利用水冷感应加热线圈4将母合金原料熔化形成非晶合金熔体5，通过进气口1施加所需压力为0.2MPa～2MPa的正压的氩气，将非晶合金熔体5喷入处于负压状态的分体式铜模8的内腔，非晶合金熔体5在压力浸渗下完全充入碳纤维预制体7的孔隙中，同时由分体式铜模8提供400K/s～1000K/s的冷却速度使短切碳纤维增强非晶复合材料快速成型，待冷却后取出直径为2mm～30mm，长度为5mm～20cm的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒。
上述实施例中，所用的装置的构成部件是通过公知途径获得的，其连接方式和操作方法是本领域技术人员所能掌握的。
以下短切碳纤维增强非晶复合材料的制备方法实施例所用的装置及其操作方均为上述实施例1所示。
实施例2
第一步，短切碳纤维化学镀：
采用商用T800碳纤维进行剪切，再使用400目的筛网进行筛分，取筛下的短切碳纤维获得长度为30μm的短切碳纤维，将该短切碳纤维进行化学镀铜处理，工艺包括：前处理→敏化、活化→还原→施镀，其中前处理使用灼烧法和有机溶剂浸泡，具体工艺是在420℃的加热炉中1h，然后用丙酮浸1h，再用酒精超声清洗15min，烘干后使用浓硝酸浸1h进行粗化，随后利用清水反复冲洗至清除所有残余硝酸，再用酒精脱水干燥；敏化、活化是将粗化好的碳纤维放入敏化-活化液中机械搅拌15min，敏化-活化液的配方为氯化亚锡30g/L，重量百分比浓度为37％盐酸60mL/L，氯化钯0.5g/L，氯化钠160g/L；还原是将敏化活化后的短碳纤维洗净后放入30g/L的次亚磷酸钠溶液中搅拌15min，还原碳纤维表面残余的PdCl2；施镀是将还原好的碳纤维放入镀液中搅拌施镀10min，镀液配方为：酒石酸钾钠16g/L、亚铁氰化钾10mg/L、2-2联吡啶20mg/L、纳米氧化铝0.3g/L、硫酸铜25g/L、甲醛40mL/L、乙二胺酸钠24g/L、氢氧化钠适量用于调节镀液pH值至12.1；使用水浴加热装置控制施镀温度为25℃，得到具有由薄镀铜化学镀层包覆完好的化学镀短切碳纤维，该薄化学镀层的厚度为100nm；
由此完成短切碳纤维化学镀；
第二步，块体非晶合金Ti37.3Zr22.7Be25.5Fe5.5Cu9(at.％)母合金铸锭的制备：
根据所选用的基体合金Ti37.3Zr22.7Be25.5Fe5.5Cu9(at.％)的组成成分Ti、Zr、Be、Fe、Cu称量所需用量的组分，将称量好的组分原材料配料均放入高真空电弧熔炼炉内进行熔炼，熔炼前先将高真空电弧炉抽取至真空度为-1.0×10-4Pa，随后充入氩气至真空度为-0.5MPa，组分原材料配料在1800℃温度下进行熔炼，熔炼成液体后随炉冷却，制得块体非晶合金Ti37.3Zr22.7Be25.5Fe5.5Cu9(at.％)母合金铸锭，将该母合金铸锭破碎成小块待用；
第三步，短切碳纤维预制体的制备：
将上述第一步得到的化学镀短切碳纤维装采用完全填充方式填入铜模内腔中，铜模内腔的直径为2mm，通过10g的标准天平砝码施加压力，摇床摇动进行压制以调节碳纤维间的孔隙尺寸为50μm，由此制备成镀铜短切碳纤维预制体；
第四步，短切碳纤维增强非晶复合材料的制备：
将上述第二步制备的块体非晶合金Ti37.3Zr22.7Be25.5Fe5.5Cu9(at.％)母合金铸锭的碎块置于一个石英管的粗管部分内，该石英管下端有一个喷口，其直径为0.5mm，再将该石英管装载在具有封闭式炉体的高真空感应加热喷铸炉内，将该封闭式炉体抽真空度至-1.0×10-3Pa，随后充入氩气至真空度为-0.3MPa，通过水冷感应加热线圈将该石英管粗管部分内的块体非晶合金Ti37.3Zr22.7Be25.5Fe5.5Cu9(at.％)母合金铸锭的碎块熔化成熔体，采用氩气作为压力源，以2MPa的正压将上述熔体通过石英管下端的喷口吹入处于负压状态的上述第三步的装有制备成的镀铜短切碳纤维预制体的铜模的内腔内，块体非晶合金Ti37.3Zr22.7Be25.5Fe5.5Cu9(at.％)母合金铸锭的碎块熔化成的熔体在压力浸渗下完全充入镀铜短切碳纤维预制体的孔隙中，同时由铜模提供1000K/s的冷却速度使短切碳纤维增强非晶复合材料快速成型，待冷却后取出直径为2mm，长度为5mm的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒，由此采用真空低压铸造法即喷铸法完成短切碳纤维增强非晶复合材料的制备；
第五步，性能测试
将上述第四步制得的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒用金刚石切割锯切成直径与高比值为1∶2的标准压缩样品，将6个样品并排树立进行XRD测试，证明复合材料基体主要呈非晶态结构。将压缩样品横截面抛光后进行SEM观察和EDS测试，证明本实验中没有引起严重的界面反应。经压缩测试后，复合材料样品表现出明显的塑性变形能力，其屈服强度达到1800MPa，压缩塑性为7.6％。
实施例3
第一步，短切碳纤维化学镀：
采用商用T200碳纤维进行剪切，再使用100目的筛网进行筛分，取筛下的短切碳纤维获得长度为0.2mm的短切碳纤维，再将该短切碳纤维进行化学镀镍处理，化学镀镍的基础工艺包括：前处理→敏化→活化→还原→施镀。其中前处理使用灼烧法和有机溶剂浸泡，具体工艺是在420℃的加热炉中1h，然后再用丙酮浸泡1h，酒精超声清洗15min，烘干后使用浓硝酸浸泡1h进行粗化，随后利用清水反复冲洗至冲洗后水的pH值为6.8，再用酒精脱水干燥；敏化是将粗化好的短切碳纤维放入成分为20g/L的氯化亚锡和40mL/L的重量百分比浓度为37％盐酸配置的敏化液中机械搅拌25min；活化是将敏化好的碳纤维放入0.1g/L氯化钯、10mL/L的盐酸配置的活化液中机械搅20min；还原是将敏化活化后的短切碳纤维洗净后放入30g/L的次亚磷酸钠溶液中搅拌15min，还原短切碳纤维表面残余的PdCl2；施镀是将还原好的短切碳纤维放入镀液中搅拌施镀20min，镀液配方为：六水硫酸镍30g/L、磷酸二氢钠20g/L、柠檬酸钠20g/L、醋酸钠10g/L、氯化铵20g/L、纳米氧化铝0.1g/L，采用氢氧化钠适量调pH至12.5；施镀时用水浴装置调节施镀温度为50℃，得到具有由镀镍化学镀薄镀层包覆完好的化学镀短切碳纤维，该薄化学镀层的厚度为300nm；
由此完成短切碳纤维化学镀；
第二步，块体非晶合金Vit1母合金铸锭的制备：
根据所选用的基体合金Vit1合金的组成成分Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5at.％称取原材料Zr、Ti、Be、Ni、Cu，称量所需用量的组分，将称量好的组分原材料配料均放入高真空电弧炉内进行熔炼，熔炼前先将高真空电弧炉抽取至真空度为-1.0×10-3Pa，随后充入氩气至真空度为-0.4MPa，组分原材料配料在1700℃温度下进行熔炼，熔炼成液体后随炉冷却，制得块体Vit1非晶合金母合金铸锭，将该母合金铸锭破碎成小块待用；
第三步，短切碳纤维预制体的制备：
将上述第一步得到的化学镀短碳纤维毡布采用部分填充装方式填入铜模内腔中，铜模内腔的直径为20mm，通过40g的标准天平砝码施加压力，用震床震动进行压制以调节碳纤维间的孔隙尺寸为200μm，由此制备成镀镍短切碳纤维预制体；
第四步，短切碳纤维增强非晶复合材料的制备：
将上述第二步制备的块体Vit1非晶合金母合金铸锭的碎块置于一个石英管的粗管部分内，该石英管下端有一个喷口，其直径为1.2mm，再将该石英管装载在具有封闭式炉体的高真空感应加热喷铸炉内，将该封闭式炉体抽真空度至-1.0×10-2Pa，随后充入氩气至真空度为-0.4MPa，通过水冷感应加热线圈将该石英管粗管部分内的块体Vit1非晶合金母合金铸锭的碎块熔化成熔体，采用氩气作为压力源，以1.1MPa的正压将上述熔体通过石英管下端的喷口吹入处于负压状态的上述第三步的装有制备成的短切碳纤维预制体的铜模的内腔内，块体Vit1非晶合金母合金铸锭的碎块熔化成的熔体在压力浸渗下完全充镀镍短切碳纤维预制体的孔隙中，同时由铜模提供700K/s的冷却速度使短切碳纤维增强非晶复合材料快速成型，待冷却后取出直径为20mm，长度为20cm的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒，由此采用真空低压铸造法完成短切碳纤维增强非晶复合材料的制备；
第五步，性能表征：
将上述第四步制得的复合材料圆棒用金刚石切割锯切成直径与高比值为1∶2的标准压缩样品，将1个样品树立进行XRD测试，证明复合材料基体主要呈非晶态结构。将压缩样品横截面抛光后进行SEM观察和EDS测试，证明本实验中没有引起严重的界面反应。经压缩测试后，复合材料样品表现出明显的塑性变形能力，其屈服强度达到1750MPa，压缩塑性为5.5％。
实施例4
第一步，短切碳纤维化学镀：
采用商用T700碳纤维进行剪切，再使用20目的筛网进行筛分，取筛下的短切碳纤维获得长度为0.8mm的短切碳纤维，再将该短切碳纤维进行化学镀镍处理，化学镀镍的基础工艺包括：前处理→敏化→活化→还原→施镀。其中前处理使用灼烧法和有机溶剂浸泡，具体工艺是在420℃的加热炉中1h，然后再用丙酮浸泡1h，酒精超声清洗15min，烘干后使用浓硝酸浸泡1h进行粗化，随后利用清水反复冲洗至冲洗后水的pH值为6.8，再用酒精脱水干燥；敏化是将粗化好的短切碳纤维放入成分为20g/L的氯化亚锡和40mL/L的重量百分比浓度为37％盐酸配置的敏化液中机械搅拌30min；活化是将敏化好的碳纤维放入0.2g/L氯化钯、10mL/L的盐酸配置的活化液中机械搅30min；还原是将敏化活化后的短切碳纤维洗净后放入30g/L的次亚磷酸钠溶液中搅拌15min，还原短切碳纤维表面残余的PdCl2；施镀是将还原好的短切碳纤维放入镀液中搅拌施镀25min，镀液配方为：六水硫酸镍30g/L、磷酸二氢钠20g/L、柠檬酸钠20g/L、醋酸钠10g/L、氯化铵20g/L、纳米氧化铝0.1g/L，采用氢氧化钠适量调pH至12.5；施镀时用水浴装置调节施镀温度为50℃，得到具有由镀镍化学镀薄镀层包覆完好的化学镀短切碳纤维，该薄化学镀层的厚度为500nm；
由此完成短切碳纤维化学镀；
第二步，块体非晶合金Vit1母合金铸锭的制备：
具体过程与实施例3中的第二步完全相同；
第三步，短切碳纤维预制体的制备：
将上述第一步得到的化学镀短碳纤维毡布采用部分填充装方式填入铜模内腔中，铜模内腔的直径为30mm，通过50g的标准天平砝码施加压力，用震床震动进行压制以调节碳纤维间的孔隙尺寸为300μm，由此制备成镀镍短切碳纤维预制体；
第四步，短切碳纤维增强非晶复合材料的制备：
将上述第二步制备的块体Vit1非晶合金母合金铸锭的碎块置于一个石英管的粗管部分内，该石英管下端有一个喷口，其直径为2mm，再将该石英管装载在具有封闭式炉体的高真空感应加热喷铸炉内，将该封闭式炉体抽真空度至-1.0×10-2Pa，随后充入氩气至真空度为-0.6MPa，通过水冷感应加热线圈将该石英管粗管部分内的块体Vit1非晶合金母合金铸锭的碎块熔化成熔体，采用氩气作为压力源，以1MPa的正压将上述熔体通过石英管下端的喷口吹入处于负压状态的上述第三步的装有制备成的短切碳纤维预制体的铜模的内腔内，块体Vit1非晶合金母合金铸锭的碎块熔化成的熔体在压力浸渗下完全充镀镍短切碳纤维预制体的孔隙中，同时由铜模提供200K/s的冷却速度使短切碳纤维增强非晶复合材料快速成型，待冷却后取出直径为30mm，长度为4cm的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒，由此采用真空低压铸造法完成短切碳纤维增强非晶复合材料的制备；
第五步，性能表征：
将上述第四步制得的复合材料圆棒用金刚石切割锯切成直径与高比值为1∶2的标准压缩样品，将1个样品进行XRD测试，证明复合材料基体主要呈非晶态结构。将压缩样品横截面抛光后进行SEM观察和EDS测试，证明本实验中没有引起严重的界面反应。经压缩测试后，复合材料样品表现出明显的塑性变形能力，其屈服强度达到1720MPa，压缩塑性为3.5％。
实施例5
第一步，短切碳纤维化学镀：
采用T700碳纤维的短切纤维产品编制而成的商用短碳纤维毡布进行化学镀铜处理。短碳纤维毡布化学镀铜的基础工艺包括：前处理→敏化、活化→还原→施镀。其中前处理是用丙酮浸泡1h，酒精超声清洗15min，烘干后使用浓硝酸浸泡1h进行粗化，随后利用清水反复冲洗至冲洗后水的pH值为6.8，再用酒精脱水干燥；敏化、活化是将粗化好的短碳纤维毡布放入敏化-活化液中浸泡30min，敏化-活化液的配方为氯化亚锡30g/L，重量百分比浓度为37％盐酸60mL/L，氯化钯0.5g/L，氯化钠160g/L；还原是将敏化活化后的短碳纤维毡布洗净后放入30g/L的次亚磷酸钠溶液中搅拌15min，还原短碳纤维毡布表面残余的PdCl2；施镀是将还原好的短碳纤维毡布放入镀液中搅拌施镀10min～30min，镀液配方为：酒石酸钾钠16g/L、亚铁氰化钾10mg/L、2-2联吡啶20mg/L、纳米氧化铝0.3g/L、硫酸铜25g/L、甲醛40mL/L、乙二胺酸钠24g/L、氢氧化钠适量用于调节镀液pH值至12.6；施镀温度用水浴装置调节为50℃，得到包覆性完好的薄化学镀铜短碳纤维毡布，该薄化学镀层的厚度为800nm；
由此完成短切碳纤维化学镀；
第二步，块体非晶合金Mg-Cu-Ag-Gd母合金铸锭的制备：
根据所选用的基体合金的组成成分Mg59.5Cu22.9Ag6.6Gd11(at.％)称量所需用量的组分Mg、Ag、Gd、Cu，将称量好的Cu-Ag-Gd组分原材料配料均放入高真空感应熔炼炉内进行熔炼，熔炼前先将高真空感应熔炼炉抽取至真空度为-1.0×10-2Pa，随后充入氩气至真空度为-0.6MPa，组分原材料配料在900℃温度下进行熔炼，炼得Cu-Ag-Gd中间合金，将得到的Cu-Ag-Gd中间合金铸锭与前面称好的镁块混合并采用氩气保护，采用与熔炼Cu-Ag-Gd中间合金一致的熔炼工艺，在高真空感应熔炼炉内重熔，熔炼成液体后随炉冷却，得到块体非晶合金Mg-Cu-Ag-Gd母合金铸锭，随后将该母合金铸锭破碎成小块待用；
第三步，短切碳纤维预制体的制备：
将上述第一步得到的薄化学镀铜短碳纤维毡布剪成2.5mm×2.5mm×50mm的长条，采用模具内表面粘贴方式填入铜模内腔中，铜模内腔的直径为3mm，通过30g的标准天平砝码施加压力，摇床摇动进行压制以调节碳纤维间的孔隙尺寸为100μm，由此制备成短切碳纤维预制体；
第四步，短切碳纤维增强非晶复合材料的制备：
将上述第二步制备的块体非晶合金Mg-Cu-Ag-Gd母合金铸锭的碎块置于一个石英管的粗管部分内，该石英管下端有一个喷口，其直径为2mm，再将该石英管装载在具有封闭式炉体的高真空感应加热喷铸炉内，将该封闭式炉体抽真空度至-1.0×10-1Pa，随后充入氩气至真空度为-0.5MPa，通过水冷感应加热线圈将该石英管粗管部分内的块体非晶合金母合金铸锭的碎块熔化成熔体，采用氩气作为压力源，以2MPa的正压将上述熔体通过石英管下端的喷口吹入处于负压状态的上述第三步的装有制备成的短切碳纤维预制体的铜模的内腔内，块体非晶合金Mg-Cu-Ag-Gd母合金铸锭的碎块熔化成的熔体在压力浸渗下完全充入碳纤维预制体的孔隙中，同时由铜模提供1000K/s的冷却速度使短切碳纤维增强非晶复合材料快速成型，待冷却后取出直径为3mm，长度为12cm的短切碳纤维增强非晶复合材料圆棒，由此采用真空低压铸造法完成短切碳纤维增强非晶复合材料的制备。
第五步，性能测试
将上述第四步制得的复合材料圆棒用金刚石切割锯切成直径与高比值为1∶2的标准压缩样品，将5个样品并排树立进行XRD测试，证明复合材料基体主要呈非晶态结构。将压缩样品横截面抛光后进行SEM观察和EDS测试，证明本实验中没有引起严重的界面反应。经压缩测试后，复合材料样品表现出明显的塑性变形能力，其屈服强度达到850MPa，压缩塑性为2.5％。
上述实施例中，所使用的原料和设备均通过公知途径获得，操作方法是本专业领域的技术人员能够掌握的。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种高导热金属基碳纤维发热体材料的制备方法