一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，采用镁、碳纤维为原料，碳纤维经表面镀锌、球磨混粉、装模、真空放电等离子烧结、轧制，制成碳纤维增强镁基复合材料，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，碳纤维表面的镀锌层可有效的改善碳纤维与镁基体的润湿性，界面结合良好，制备的碳纤维增强镁基复合材料显微硬度达58HV，抗弯强度达到206MPa，抗拉强度达到172MPa，是十分理想的碳纤维增强镁基复合材料的制备方法。

主权项

一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：镁、碳纤维、丙酮、去离子水、无水乙醇、硫酸锌、氯化铵、硼酸、锌板、石墨块、石墨垫块、石墨压块、石墨纸、砂纸，其准备用量如下：以克、毫米、毫升为计量单位镁：Mg 1000g±0.01g碳纤维：C 50g±0.01g丙酮：C₃H₆O 1500mL±5mL去离子水：H₂O 3000mL±10mL硫酸锌：ZnSO₄ 300g±0.01g氯化铵：NH₄Cl 10g±0.01g硼酸：H₃BO₃ 10g±0.01g石墨块：C 500mm×500mm×100mm石墨垫块：C 200mm×160mm×50mm石墨压块：C 200mm×160mm×50mm石墨纸：C 1000mm×1mm×500mm无水乙醇：C₂H₆O 1000mL±10mL锌板：Zn 60mm×70mm×3mm砂纸：400目 300mm×0.5mm×200mm制备方法如下：(1)精选化学物质材料对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：镁：固态粉体 99.99％碳纤维：固态纤维 99.6％丙酮：液态液体 99.9％去离子水：液态液体 99.9％硫酸锌：固态粉体 99.5％氯化铵：固态粉体 99.5％硼酸：固态粉体 99.5％石墨块：固态块体 98.5％石墨垫块：固态块体 98.5％石墨压块：固态块体 98.5％石墨纸：固态纸状 98.5％无水乙醇：液态液体 99.7％锌板：固态板状 99.99％砂纸：固态板状(2)制作石墨模具石墨模具用石墨块制作，模具型腔为矩形腔体，型腔尺寸为200mm×160mm×100mm，型腔表面粗糙度Ra≤0.08～0.16μm；(3)预处理碳纤维①将碳纤维放入真空热处理炉中，密闭，然后抽取炉内空气，使炉腔内压强达2Pa，然后进行加热至400℃±5℃，恒温保温15min，然后停止加热，随炉冷却至25℃；②将冷却后的碳纤维放入丙酮中，浸泡2h；③用去离子水清洗，晾干；(4)碳纤维表面镀锌①配制镀锌液，称取硫酸锌300g±0.01g，氯化铵7g±0.01g，硼酸5g±0.01g，放入烧杯中，溶于1000mL去离子水中，搅拌溶解，pH为3.9，呈酸性；②装束碳纤维，将碳纤维装束成条状，尺寸为Φ10mm×80mm；③镀锌，将镀锌液置于镀锌槽中，将装束的碳纤维垂直放入镀锌槽内，并固定为阴极；将锌板垂直放入镀锌槽内，并固定为阳极；镀锌液要淹没碳纤维、锌板；④接通阴极、阳极电源,电压220V，电流强度1A，镀锌时间为5min；⑤镀锌后，将碳纤维取出晾干；⑥清洗，将镀锌后的碳纤维置于烧杯中，加入去离子水1000mL，浸泡、搅动清洗10min，清洗后晾干；⑦真空干燥，将晾干的碳纤维置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度为100℃，真空度20Pa，干燥时间300min；⑧剪切碳纤维，将镀锌后的碳纤维剪切成条状，长度≤1mm；(5)配制、球磨①在真空手套箱中称取镁粉932g±0.01g、碳纤维28g±0.01g，装入球磨罐，并密闭；②将球磨罐置于球磨机上，进行球磨，球磨速度300r/min，球磨时间60min，球磨后成混合细粉；(6)装模将石墨模具垂直置于钢质平板上，将石墨垫块置于模具型腔底部，将石墨纸置于石墨垫块上，然后将混合细粉置于石墨纸上部，上部用石墨纸盖住，并由石墨压块压牢；(7)真空放电等离子烧结成型碳纤维增强镁基复合材料的烧结是在真空放电等离子烧结炉内进行的，是在真空状态下，加热、施压过程中完成的；①将装模的石墨模具平行垂直移入真空放电等离子烧结炉内的工作台上，并由上压块、压力块垂直压牢；②关闭真空放电等离子烧结炉，并密闭；③开启外水循环冷却管，进行外水循环冷却；④开启真空泵，抽取炉内空气，使炉腔内压强达5Pa，并恒定；⑤开启真空放电等离子炉加热开关，加热炉腔内的石墨模具及混合细粉，加热温度420℃±2℃，恒温保温时间为20min；开启压力电机，对石墨模具内的混合细粉施压，施压压强40MPa；在加热、施压过程中，石墨模具内的混合细粉烧结成型为块体；⑥烧结成型后，停止加热，继续施压，使块体随炉冷却至25℃；⑦开炉，开模，取出块体，即为碳纤维增强镁基复合材料块体；(8)清理块体表面将块体材料置于钢质平板上，用砂纸打磨块体正反表面及周边，使其光洁；(9)轧制①将块体材料置于加热炉中，进行预热，预热温度280℃，预热时间30min；②将预热的块体材料置于热轧机上，进行垂直热轧成型，热轧后块体材料为板型，板型厚度为1mm；(10)清理、清洁板形表面将板形材料置于钢质平板上，用机械对板形材料周边进行切割；然后用砂纸对正反表面及周边进行打磨；用无水乙醇清洗板形材料周边及正反表面，使其洁净；(11)检测、分析、表征对制备的碳纤维增强镁基复合材料进行检测、分析、表征；用扫描电子显微镜对复合材料断面进行形貌分析；用万能试验机对复合材料进行力学性能测试分析；结论：制备的碳纤维增强镁基复合材料，显微硬度达到58HV，抗弯强度达到206MPa，抗拉强度达到172MPa；(12)储存制备的碳纤维增强镁基复合材料用软质材料真空包装，储存于阴凉洁净环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。