一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料及其制备方法.pdf

1、10申请公布号CN104213055A43申请公布日20141217CN104213055A21申请号201410467569922申请日20140915C22C47/04200601C22C47/14200601C22C49/06200601C22C49/14200601C22C101/10200601C22C121/0220060171申请人河南科技大学地址471000河南省洛阳市涧西区西苑路48号72发明人孙浩亮谢敬佩张林光王爱琴李继文王文焱李洛利74专利代理机构洛阳公信知识产权事务所普通合伙41120代理人罗民健54发明名称一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料及其制备方法57摘要本发明公

2、开了一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料及其制备方法。该复合材料是由镀铜碳纤维与铝镁合金粉末混合烧结而成，镀铜碳纤维体积分数含量110。本发明的制备方法主要包括碳纤维的镀铜、球磨混料以及真空热压烧结。通过调控镀铜碳纤维的体积分数，能降低铝镁合金的密度，提升铝镁合金的强度、韧性并改善其各向异性，在力学性能接近的情况下，比普通铝镁合金密度减轻5以上。本发明特别适用于要求材料具有轻质、高强度、综合性能良好的飞行器零部件。51INTCL权利要求书1页说明书4页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页10申请公布号CN104213055ACN104213055A1/1页21

3、一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料，其特征在于由粒径为1015M的铝镁合金粉及其体积分数为110的镀铜碳纤维制成，其中，按照重量百分比，铝镁合金粉的组成成分为1040的MG、0205的CU、0104的MN、0508的SI、0103的CR、0105的ZN、0105的TI和AL及不可避免的杂质；所述镀铜碳纤维为直径10M的碳纤维浸入镀液中通过化学镀的方式得到。2根据权利要求1所述的一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料，其特征在于所述镀液的PH值为1213，温度为4050，镀液中含有的成分如下1416G/L的硫酸铜、1822G/L的酒石酸钾钠、2327G/L的EDTA、1517G/L的氢氧化钠、141

4、6ML/L的甲醛、57MG/L的二联吡啶和1822MG/L的亚铁氰化钾。3根据权利要求2所述的镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1）碳纤维镀铜配制PH值为1213的镀液分别称取硫酸铜、酒石酸钾钠、EDTA、氢氧化钠、甲醛、二联吡啶和亚铁氰化钾溶于水中配制成镀液，镀液中各成分的含量分别为硫酸铜1416G/L、酒石酸钾钠1822G/L、EDTA2327G/L、氢氧化钠1517G/L、甲醛1416ML/L、二联吡啶57MG/L和亚铁氰化钾1822MG/L，并限定镀液的温度为4050；将碳纤维置于配制好的镀液中并保持搅拌的状态下进行化学镀直至碳纤维的表面附着有多晶铜镀层

5、；2）混料将步骤1）中表面已镀铜的碳纤维按照体积分数110的比例加入到铝镁合金粉末中，然后采用行星式球磨机混料直至观察不到团聚为止，得到原料粉备用；其中，所述铝镁合金粉的组成成分为1040的MG、0205的CU、0104的MN、0508的SI、0103的CR、0105的ZN、0105的TI，其余为AL及不可避免的杂质；3）烧制合金将步骤2）中得到的原料粉在真空度为00010005PA、压强为30100MPA的条件下烧结，烧结时，以每分钟3080的升温速率将温度升至440480并保持该温度530MIN完成烧结，烧结完成后自然冷却至室温即得到产品。4根据权利要求3所述的镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材

6、料的制备方法，其特征在于所述化学镀时，按照每升镀液对应2535G碳纤维的比例分配镀液和碳纤维的量。权利要求书CN104213055A1/4页3一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料及其制备方法技术领域0001本发明涉及到金属基复合材料的制备领域，具体的说是一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料及其制备方法。背景技术0002随着经济的发展，航空航天、轨道交通、电子器件等领域产品对轻质、高强度复合材料的需求日益增加，复合材料的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一。0003铝镁合金具有良好的强度、硬度、散热性、抗压性、抗蚀性及可焊性，广泛应用于航空航天、电子电气、轨道交通、建筑等领域，并在能源、

7、日用品、文体用品等领域具有广阔的应用前景。0004镁的密度1732G/CM3，是铝合金中非常重要的添加元素。适量镁元素添加到铝中能够形成弥散相，可显著提高合金强度、硬度以及耐磨性，同时又不会使其塑性过分降低。研究表明向铝中每增加1WT的镁，可使强度提高约35MPA。镁在铝中极限溶解度为149WT，当镁含量小于5WT时，基本上都固溶在基体中。当镁含量较高时，铝镁合金中会析出AL2O3和AL5MG8，这两相与基体间的电位差较大，会使合金耐蚀性下降。因而，铝镁合金中的镁含量一般低于10WT，常用牌号低于8WT。低镁含量的铝镁合金具有优良的成形性能及抗腐蚀性，而高镁含量的铝镁合金具有良好的铸造性能及高

8、强度。目前，在常用的铝镁合金中，镁的含量一般不超过6WT。0005由于铝镁合金具有巨大的市场潜力，日益受到产业界及学术界的重视，但其成形性能和强度性能相对较差。难以进行复杂零件的成形以及获得高强度的结构零件，因此，其成形性能和强度性能成为制造复杂、高强铝镁合金产品的一个主要制约因素。0006为进一步减轻重量，采用轻质、高强度的先进复合材料是行之有效的方法也是当前国内外飞机制造的主要趋势。0007鉴于高含镁量A1MG二元合金的综合性能较差，通常需要在二元合金基础上单独或者复合添加CU、ZR、ZN、MN、AG等合金元素，从而形成多种强化相，并改变强化相的数量和分布，达到改善其性能的目的。通过在铝镁

9、合金中添加微量合金元素并结合热处理、热加工技术可以显著提高铝镁合金的韧性、强度等性能。0008碳纤维是一种耐热性、耐蚀性良好且密度较低，比强度较高的功能型纤维材料。碳纤维增强金属基复合材料不仅具有较低的密度、良好的强度和耐磨性，而且具有优良的导电、导热性、抗疲劳性、电磁屏蔽性等特点，因而其广泛应用在汽车、轨道交通、航空航天等领域。但是研究发现碳纤维与铝镁合金基体的界面浸润性差，因此，现有技术中并没有用碳纤维来增强铝镁合金基体强度的先例。发明内容0009为解决碳纤维与铝镁合金基体的界面浸润性差的问题，本发明提供了一种镀铜碳说明书CN104213055A2/4页4纤维增强铝镁合金复合材料及其制备方

10、法，提高了碳纤维与铝合金基体界面浸润性，并抑制了二者之间的界面反应，从而使得可以使用碳纤维来增强铝镁合金，以降低合金的密度，改善合金的韧性及各向异性，提高铝镁合金的强度，拓展铝镁合金的应用空间。0010本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料，由粒径为1015微米的铝镁合金粉及其体积分数为110的镀铜碳纤维制成，其中，按照重量百分比，铝镁合金粉的组成成分为1040的MG、0205的CU、0104的MN、0508的SI、0103的CR、0105的ZN、0105的TI和AL及不可避免的杂质；所述镀铜碳纤维为直径10M的碳纤维浸入镀液中通过化学镀的方式得到。0011

11、所述镀液的PH值为1213，温度为4050，镀液中含有的成分如下1416G/L的硫酸铜、1822G/L的酒石酸钾钠、2327G/L的EDTA、1517G/L的氢氧化钠、1416ML/L的甲醛、57MG/L的二联吡啶和1822MG/L的亚铁氰化钾。0012上述镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料的制备方法，包括以下步骤1）碳纤维镀铜配制PH值为1213的镀液分别称取硫酸铜、酒石酸钾钠、EDTA、氢氧化钠、甲醛、二联吡啶和亚铁氰化钾溶于水中配制成镀液，镀液中各成分的含量分别为硫酸铜1416G/L、酒石酸钾钠1822G/L、EDTA2327G/L、氢氧化钠1517G/L、甲醛1416ML/L、二联吡啶57

12、MG/L和亚铁氰化钾1822MG/L，并限定镀液的温度为4050；将碳纤维置于配制好的镀液中并保持搅拌的状态下进行化学镀直至碳纤维的表面附着有多晶铜镀层；2）混料将步骤1）中表面已镀铜的碳纤维按照体积分数110的比例加入到铝镁合金粉末中，然后采用行星式球磨机混料直至观察不到团聚为止，得到原料粉备用；其中，所述铝镁合金粉的组成成分为1040的MG、0205的CU、0104的MN、0508的SI、0103的CR、0105的ZN、0105的TI，其余为AL及不可避免的杂质；3）烧制合金将步骤2）中得到的原料粉在真空度为00010005PA、压力为30100MPA的条件下烧结，烧结时，以每分钟3080

13、的升温速率将温度升至440480并保持该温度530MIN完成烧结，烧结完成后自然冷却至室温即得到产品。0013所述化学镀时，按照每升镀液对应2535G碳纤维的比例分配镀液和碳纤维的量。0014有益效果本发明通过在碳纤维的表面镀上一层多晶铜镀层，从而改善了碳纤维与铝镁合金的界面浸润性，同时也抑制了二者之间的界面反应，进而使得碳纤维可以被用来增强铝镁合金，降低了合金的密度，改善了合金的韧性及各向异性，提高了铝镁合金的强度，拓展了铝镁合金的应用空间。经检测，本发明的产品综合性能良好密度在245265G/CM3，抗拉强度在480530MPA之间，硬度在85110HV之间，在飞行器某些部件上具有良好的应

14、用前景。说明书CN104213055A3/4页5具体实施方式0015下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。0016实施例1本实施例中所用铝镁合金粉末的组成成分及重量百分比为10的MG、05的CU、04的MN、08的SI、03的CR、05的ZN、05的TI，镀铜碳纤维体积含量1，其余为AL及不可避免的杂质。0017具体制备方法如下（1）将碳纤维放入到镀液中，在电动搅拌方式下进行化学镀。镀液成分为硫酸铜14G/L，酒石酸钾钠18G/L，EDTA23G/L，氢氧化钠15G/L，甲醛14ML/L，二联吡啶5MG/L，亚铁氰化钾18MG/L，温度为40，PH值为12，每升镀液对应碳纤维35G。化学镀

15、结束后，镀铜层结晶良好，是由不同取向CU晶粒组成的多晶CU镀层，厚度约为1M；（2）将步骤（1）处理好的镀铜碳纤维按1体积分数加入到铝镁合金粉末中，采用行星式球磨机充分混料6小时，直至观察不到团聚为止，将混合好的原料装入干燥的玻璃器皿内备用；（3）将步骤（2）中混合好的粉末装入模具中，将装好合金粉末的模具放入烧结炉中，当真空炉内真空达到0001PA时，对样品施压30MPA的压力，通电以每分钟30的速率升温至440，保温30分钟后降温，当温度降至室温取出样品。0018本实施例制备的碳纤维增强铝镁合金粉末性能参数为密度为263G/CM3，时效处理后抗拉强度达到496MPA，硬度为93HV。0019

16、实施例2本实施例中所用铝镁合金粉末的组成成分及重量百分比为40的MG、02的CU、01的MN、05的SI、01的CR、01的ZN、01的TI，镀铜碳纤维体积含量10，其余为AL及不可避免的杂质。0020具体制备方法如下（1）将预处理好的碳纤维放入到镀液中，在电动搅拌方式下进行化学镀。镀液成分为硫酸铜16G/L，酒石酸钾钠22G/L，EDTA27G/L，氢氧化钠17G/L，甲醛16ML/L，二联吡啶7MG/L，亚铁氰化钾22MG/L，温度为50，PH值为13，每升镀液对应碳纤维25G。化学镀结束后，镀铜层结晶良好，是由不同取向CU晶粒组成的多晶CU镀层，厚度约为1M；（2）将步骤（1）处理好的镀

17、铜短碳纤维按10体积分数加入到铝镁合金粉末中，采用行星式球磨机充分混料8小时，直至观察不到团聚为止，将混合好的原料装入干燥的玻璃器皿内备用；（3）将步骤（2）中混合好的粉末装入模具中，将装好合金粉末的模具放入烧结炉中，当真空炉内真空达到0005PA时，对样品施压100MPA的压力，通电以每分钟80的升温速率升温至480，保温5分钟后降温，当温度降至室温取出样品。0021本实施例制备的碳纤维增强铝镁合金粉末性能参数为密度为246G/CM3，时效处理后抗拉强度达到511MPA，硬度为101HV。0022实施例3本实施例中所用铝镁合金粉末的组成成分及重量百分比为25的MG、035的CU、说明书CN1

18、04213055A4/4页6025的MN、065的SI、02的CR、03的ZN、03的TI，镀铜碳纤维体积含量55，其余为AL及不可避免的杂质。0023具体制备方法如下（1）将预处理好的碳纤维放入到镀液中，在电动搅拌方式下进行化学镀。镀液成分为硫酸铜15G/L，酒石酸钾钠20G/L，EDTA25G/L，氢氧化钠16G/L，甲醛15ML/L，二联吡啶6MG/L，亚铁氰化钾20MG/L，温度为45，PH值为125，每升镀液对应碳纤维3G。化学镀结束后，镀铜层结晶良好，是由不同取向CU晶粒组成的多晶CU镀层，厚度约为1M；（2）将步骤（1）处理好的镀铜短碳纤维按55体积分数加入到铝镁合金粉末中，采用行星式球磨机充分混料8小时，直至观察不到团聚为止，将混合好的原料装入干燥的玻璃器皿内备用；（3）将步骤（2）中混合好的粉末装入模具中，将装好合金粉末的模具放入烧结炉中，当真空炉内真空达到0003PA时，对样品施压65MPA的压力，通电以每分钟55的升温速率升温至455，保温17分钟后降温，当温度降至室温取出样品。0024本实施例制备的碳纤维增强铝镁合金粉末性能参数为密度为253G/CM3，时效处理后样品抗拉强度达到526MPA，硬度为105HV。说明书CN104213055A