一种镀铜碳纤维增强铝镁合金复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公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1?10%。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。
【专利说明】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 〇
[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、日用品、文体用品等领域具有广阔的 应用前景。
[0004] 镁的密度1.732g/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 lwt%的镁，可使强度提高约35MPa。镁在铝中极限溶解度为 14. 9wt%，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Al2O 3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IOwt %，常用牌号低于Swt %。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Al-Mg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 纤维增强铝镁合金复合材料及其制备方法，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10-15微米的铝镁合金粉及其体积分数为1?10%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10?40%的Mg、0. 2?0. 5%的Cu、0. 1? 0· 4% 的 Μη、0· 5 ?0· 8% 的 Si、0· 1 ?0· 3% 的 Cr、0· 1 ?0· 5% 的 Ζη、0· 1-0. 5% 的 Ti 和 Al 及不可避免的杂质； 所述镀铜碳纤维为直径10 μ m的碳纤维浸入镀液中通过化学镀的方式得到。
[0011] 所述镀液的PH值为12-13,温度为40-50°C，镀液中含有的成分如下：14-16g/L的 硫酸铜、18-22g/L的酒石酸钾钠、23-27g/L的EDTA、15-17g/L的氢氧化钠、14-16ml/L的甲 醛、5-7mg/L的二联吡啶和18-22mg/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12-13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14_16g/L、酒石酸钾钠18-22g/L、EDTA 23-27g/L、氢氧化钠15-17g/L、甲醛14-16ml/L、二联吡啶5-7mg/L和亚铁氰化钾18-22mg/ L，并限定镀液的温度为40-50°C ; 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 着有多晶铜锻层； 2) 混料 将步骤1)中表面已镀铜的碳纤维按照体积分数1-10%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10?40%的Mg、0. 2?0. 5%的Cu、0. 1?0. 4%的 Μη、0· 5 ?0· 8% 的 Si、0· 1 ?0· 3% 的 Cr、0· 1 ?0· 5% 的 Ζη、0· 1-0. 5% 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0. 001-0. 005Pa、压力为30-100MPa的条件下烧 结，烧结时，以每分钟30-80°C的升温速率将温度升至440-480°C并保持该温度5-30min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2. 5-3. 5g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2. 45? 2. 65g/cm3,抗拉强度在480?530MPa之间，硬度在85?110HV之间，在飞行器某些部件上 具有良好的应用前景。
【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：1〇%的Mg、0. 5%的Cu、0. 4% 的Μη、0. 8%的Si、0. 3%的Cr、0. 5%的Ζη、0. 5%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Hg/ L，酒石酸钾钠18g/L，EDTA 23g/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°C，pH值为12,每升镀液对应碳纤维3. 5g。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锻层，厚度约为1 μ m ; (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0. OOlPa时，对样品施压30MPa的压力，通电以每分钟30°C的速率升温至 440°C，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2. 63g/cm3,时效处 理后抗拉强度达到496MPa，硬度为93HV。
[0019] 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、0. 2%的Cu、 0. 1%的Μη、0. 5%的Si、0. 1%的Cr、0. 1%的Ζη、0. 1%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，EDTA 27g/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°C，pH值为13,每升镀液对应碳纤维2. 5g。化学镀结束后， 锻铜层结晶良好，是由不同取向Cu晶粒组成的多晶Cu锻层，厚度约为1 μ m ; (2) 将步骤（1)处理好的镀铜短碳纤维按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0. 〇〇5Pa时，对样品施压IOOMPa的压力，通电以每分钟80°C的升温速率 升温至480°C，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2. 46g/cm3,时效处 理后抗拉强度达到51110^，硬度为101狀。
[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、0. 35%的Cu、 0. 25%的Μη、0. 65%的Si、0. 2%的Cr、0. 3%的Ζη、0. 3%的Ti,镀铜碳纤维体积含量5. 5%， 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，EDTA 25g/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°C，pH值为12. 5,每升镀液对应碳纤维3g。化学镀结束后， 锻铜层结晶良好，是由不同取向Cu晶粒组成的多晶Cu锻层，厚度约为1 μ m ; (2) 将步骤（1)处理好的镀铜短碳纤维按5. 5%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0. 〇〇3Pa时，对样品施压65MPa的压力，通电以每分钟55°C的升温速率升 温至455°C，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2. 53g/cm3,时效处 理后样品抗拉强度达到526MPa，硬度为105HV。
【权利要求】
1. 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10-15 μ m的铝镁合 金粉及其体积分数为1?10%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 10 ?40% 的 Mg、0. 2 ?0· 5% 的 Cu、0. 1 ?0· 4% 的 Μη、(λ 5 ?0· 8% 的 Si、0· 1 ? 0. 3%的Cr、0. 1?0. 5%的Ζη、0. 1-0. 5%的Ti和Al及不可避免的杂质； 所述镀铜碳纤维为直径10 μ m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12-13,温度为40-50°C，镀液中含有的成分如下：14-16g/L的硫酸铜、 18-22g/L的酒石酸钾钠、23-27g/L的EDTA、15-17g/L的氢氧化钠、14-16ml/L的甲醛、 5-7mg/L的二联吡啶和18-22mg/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12-13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14_16g/L、酒石酸钾钠18-22g/L、EDTA 23-27g/L、氢氧化钠15-17g/L、甲醛14-16ml/L、二联吡啶5-7mg/L和亚铁氰化钾18-22mg/ L，并限定镀液的温度为40-50°C ; 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 着有多晶铜锻层； 2) 混料 将步骤1)中表面已镀铜的碳纤维按照体积分数1-10%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10?40%的Mg、0. 2?0. 5%的Cu、0. 1?0. 4%的 Μη、0· 5 ?0· 8% 的 Si、0· 1 ?0· 3% 的 Cr、0· 1 ?0· 5% 的 Ζη、0· 1-0. 5% 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0. 001-0. 005Pa、压强为30-100MPa的条件下烧 结，烧结时，以每分钟30-80°C的升温速率将温度升至440-480°C并保持该温度5-30min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2. 5-3. 5g碳纤维的比例分配镀液和碳纤维的量。
【文档编号】C22C101/10GK104213055SQ201410467569
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】孙浩亮, 谢敬佩, 张林光, 王爱琴, 李继文, 王文焱, 李洛利 申请人:河南科技大学