专利名称：三维正交碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种碳纤维材料技术领域的复合材料及其制备，具体是一种三维 正交碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
碳纤维增强铝基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和 良好的尺寸稳定性，成功应用于人造卫星支架、人造卫星抛物面天线、空间望远镜等。但以 上应用多采用单向碳纤维增强铝基复合材料。单向结构复合材料具有各向异性的缺点，而 层合结构复合材料也存在着易分层，沿厚度方向的刚度和强度低、冲击韧性和损伤容限低、 抗面内剪切强度低等不足。上述结构的复合材料存在以上结构和性能缺陷，不能满足轻质 高强结构材料多向受力的使用要求。另外，单向和层合结构的碳纤维预制件在制备复合材 料的过程中，碳纤维容易发生偏聚以及弯曲现象，从而导致整体材料力学性能下降。而三维 正交碳纤维预制件呈整体框架结构，具有很高的刚度，从而克服了碳纤维在制备复合材料 的过程中发生偏聚和弯曲的问题。经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200910249794，
公开日2010年5月 26日，记载了一种“金属基三维网状碳纤维复合材料及其制造方法”，该技术由多层碳纳米 管构成三维网状碳纤维结构体，但是该现有技术制备工艺复杂，首先需配制悬浮液，再经过 干燥处理、压缩成型、硬化处理、高温烧结和复合成型等工艺。悬浮沉降法制备的预制件中 碳纤维分布不均勻，纤维体积分数在厚度方向上呈梯度分布。此外，配制悬浮液时引入的粘 结剂和分散剂对复合材料界面性能有不利影响。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种三维正交碳纤维增强铝基复合材 料及其制备方法，采用三维正交碳纤维增强体，通过挤压铸造的方法获得一种三维正交碳 纤维增强铝基复合材料，其中纤维束贯穿材料的X、Y、Z三个方向，纤维束彼此不交织，从根 本上解决了现有连续碳纤维增强铝基复合材料在结构和性能上的缺陷。采用机织工艺直接 制备出三维正交碳纤维结构体，不存在配制悬浮液以及后续的干燥处理、压缩成型、硬化处 理、高温烧结工艺，从而大大简化制备工艺、缩短制备时间，避免了纤维体积分数在厚度方 向上呈梯度分布的问题，也避免了配制悬浮液时引入的粘结剂和分散剂对复合材料界面性 能的不利影响。由于三维正交碳纤维结构体的纤维体积分数较高，所以液态金属对预制件 的充填难度较大。针对碳纤维预制件的三维正交结构特点，通过选取合适的挤压铸造工艺 参数，实现了三维正交碳纤维与铝或铝合金的复合。与此同时，高刚度的整体框架结构克服 了碳纤维在制备复合材料的过程中发生偏聚和弯曲的问题。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种三维正交碳纤维增强铝基复合材料，其组分及体积比为30 60%碳纤维增强体和40 70%铝或铝合金基体组成，其中铝或铝合金基体的组分和质量百分比为0 13% Si、0 11% Mg、0 10% Ζη、0 8% Cu、0 2% Μη、0 Ti，其 余为Al。本发明涉及上述三维正交碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，利用机织加工方 法将碳纤维束织成三维整体网状结构体，并置于金属模具中预热；然后将熔融的铝或铝合 金熔体浇注入金属模具中，在压力下成型，得到三维正交碳纤维增强铝基复合材料。所述的预热的温度为400°C 600°C。所述的浇注的温度为740°C 760°C。所述的成型的压力为10 50MPa，保压时间60秒。本发明解决了现有连续碳纤维增强铝基复合材料在结构和性能上的缺陷，而高刚 度的整体框架结构克服了碳纤维在制备复合材料的过程中发生偏聚和弯曲的问题。本发明 所制备的三维正交碳纤维增强铝基复合材料结构致密，碳纤维与基体结合良好，碳纤维分 布均勻，未发生偏聚和弯曲现象。复合材料的综合性能优异，在航天航空、军工、电子封装、 汽车、体育器械、精密制造等领域有着广泛的应用前景。
图1是三维正交碳纤维预制件的立体结构示意图，其中棒状阵列代表碳纤维束 阵列，碳纤维束沿X、Y、Z三个方向阵列排布，X、Y、Z三个方向彼此正交。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1三维正交碳纤维增强体的经纱、纬纱和Z向纱都采用T300。碳纤维占复合材料体 积分数约40%。基体采用纯铝。碳纤维预热温度400°C，浇注温度740°C，挤压压力lOMPa， 保压时间60秒，得到三维正交碳纤维增强铝基复合材料的结构致密，碳纤维与基体结合良 好，碳纤维分布均勻，未发生偏聚和弯曲。复合材料沿经纱和纬纱方向的强度为304MPa。实施例2三维正交碳纤维增强体的经纱、纬纱和Z向纱都采用T700。碳纤维占复合材料体 积分数约50%。基体采用铝合金为ZL101。碳纤维预热温度500°C，浇注温度750°C，挤压 压力30MPa，保压时间60秒，得到三维正交碳纤维增强铝基复合材料的结构致密，碳纤维与 基体结合良好，碳纤维分布均勻，未发生偏聚和弯曲现象。复合材料沿经纱和纬纱方向的强 度为 590MPa。实施例3三维正交碳纤维增强体的经纱采用T700，纬纱和Z向纱采用T300。碳纤维占复 合材料体积分数接近60%。基体采用铝合金为ZL102。碳纤维预热温度600°C，浇注温度 760°C，挤压压力50MPa，保压时间60秒，得到三维正交碳纤维增强铝基复合材料的结构致 密，碳纤维与基体结合良好，碳纤维分布均勻，未发生偏聚和弯曲现象。复合材料沿经纱方 向的强度为638MPa，沿纬纱方向的强度为358MPa。
权利要求
1.一种三维正交碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于，其组分及体积比为30 60% 碳纤维增强体和40 70%铝或铝合金基体组成，其中铝或铝合金基体的组分和质量百分 比为0 13% Si、0 11% Mg、0 10% Ζη、0 8% Cu、0 2% Μη、0 Ti，其余为 Al。
2.根据权利要求1所述三维正交碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于， 利用机织加工方法将碳纤维束织成三维整体网状结构体，并置于金属模具中预热；然后将 熔融的铝或铝合金熔体浇注入金属模具中，在压力下成型，得到三维正交碳纤维增强铝基 复合材料。
3.根据权利要求2所述三维正交碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征是，所 述的预热的温度为400°C 600°C。
4.根据权利要求2所述三维正交碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征是，所 述的浇注的温度为740V 760°C。
5.根据权利要求2所述三维正交碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征是，所 述的成型的压力为10 50MPa，保压时间60秒。
全文摘要
一种碳纤维技术领域的三维正交碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，该材料的组分及体积比为30～60％碳纤维增强体和40～70％铝或铝合金基体组成，其中铝或铝合金基体的组分和质量百分比为0～13％Si、0～11％Mg、0～10％Zn、0～8％Cu、0～2％Mn、0～1％Ti，其余为Al。本发明有效解决了现有技术中三维正交碳纤维结构体与金属复合时的缺陷，在金属基复合材料中采用三维正交碳纤维作为增强体，实现三维正交碳纤维与铝或铝合金的复合。
文档编号C22C101/10GK102127722SQ20111006884
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者周聪, 夏存娟, 王浩伟, 陈东, 马乃恒 申请人:上海交通大学