1.本发明涉及一种轻量化、高导热、高模量的结构功能一体化的镁铝合金材料，属于复合材料领域。
背景技术：
2.镁铝合金是合金中的一种，密度一般小于1.8g
·
cm3，而镁和铝的合金的低密度使其比性能较高。镁铝合金具有很好的强度、刚性和尺寸稳定性。虽然镁铝合金是一种工程类金属中密度最小的金属，但其绝对强度、硬度、模量较低，热膨胀系数较高，这些性质极大限制了其在航空航天和汽车领域的应用。例如航天器结构材料，如卫星天线的桁架结构、筒形构件和航天器的光学测量系统进一步对材料的模量和导热性能提出更高的要求。
技术实现要素：
3.本发明的第一个目的在于提供一种可用于航天器的高导热、高模量的碳纤维增强的镁铝合金复合材料。
4.本发明的第二个目的在于提供一种所述碳纤维增强的镁铝合金的制备方法。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
6.一种碳纤维增强的镁铝合金，所述镁铝合金中设有碳纤维骨架；
7.所述碳纤维骨架由中间相沥青基碳纤维编织得到；
8.所述中间相沥青基碳纤维表面覆着有热解石墨和纳米级碳化锆。
9.所述镁铝合金为az91或az31。
10.所述碳纤维骨架的形貌为正交绕纱、三维细编穿刺或针刺毡；
11.所述热解石墨为点状。
12.一种所述的碳纤维增强的镁铝合金的制备方法，包括如下步骤：
13.s1将中间相沥青纤维于450-600℃的温度下碳化成中间相沥青基碳纤维后，将中间相沥青基碳纤维编织成碳纤维预制体i；
14.s2将所述碳纤维预制体i于2600～3000℃下石墨化，得到碳纤维预制体ii；
15.s3将所述碳纤维预制体ii于真空下浸渍于有机锆化物的有机溶液中，烘干后于1000～1600℃进行热处理，得到纤维预制体iii；
16.s4采用镁铝合金粉末包埋所述纤维预制体iii，于真空下升温至600～800℃后，充入惰性气体i，使所述纤维预制体iii处于1atm+1～3kpa，升温至目标温度700-900℃，即得所述碳纤维增强的镁铝合金。
17.所述纤维预制体i的形式包括正交绕纱、三维细编穿刺或针刺毡。
18.所述石墨化的加热方式为感应加热；
19.所述石墨化的环境为封闭环境。
20.所述感应加热的升温速率为1～10℃/min。
21.所述有机锆化物包括聚乙酰丙酮锆；
22.所述有机溶液采用的溶剂包括二甲苯。
23.所述有机溶液的浓度为10～50g/100ml；
24.所述烘干的温度为80～140℃；
25.所述烘干的时间为1～4h；
26.所述热处理的气氛为惰性气体ii；
27.所述热处理的气压为1atm+1～3kpa；
28.所述热处理的升温速率为1～10℃/min。
29.所述镁铝合金粉末包括az91粉末或az31粉末。
30.相对于现有技术，本发明有益效果如下：
31.1、本发明提供的碳纤维增强的镁铝合金的导热率为220～250w/mk，模量为180～200gpa。
32.2、高惰性中间相沥青基碳纤维和镁铝合金的润湿较难，界面结合状态差。针对该问题，本发明采用中间态的中间相沥青基碳纤维低温丝为原料，通过在封闭空间内热分解产物作为自沉积起源，在感应电场和自身温度场的综合作用下，碳纤维完成石墨化的同时表面负载点状热解石墨，初步增加碳纤维和铝镁铝合金的润湿和结合。
33.3、本发明通过真空浸渍聚乙酰丙酮锆的二甲苯溶液和热处理在纤维表面引入zrc微粒。负载的zrc微粒和点状热解石墨协同作用，进一步降低了镁铝合金浸渗时的润湿角，使其在毛细管力的作用下负压、常压条件就能完成浸渗，复合材料的致密度在98％以上。
具体实施方式
34.本发明提供了一种碳纤维增强的镁铝合金，所述镁铝合金中设有碳纤维骨架，该骨架可大大提高所述合金的强度和模量；所述碳纤维骨架由中间相沥青基碳纤维编织得到；采用聚丙烯腈(pan)基碳纤维虽然强度很高，但是对模量和导热的提高贡献有限。高导热、高模量的中间相沥青基碳纤维所述中间相沥青基碳纤维表面覆着有热解石墨和纳米氧化锆颗粒。其中，热解石墨的表面化学惰性高，减少非碳物质(如碳化锆、铝等)对碳纤维的化学反应损伤；而纳米氧化锆可以优化高惰性的碳纤维和镁铝合金之间的界面润湿和结合强度。
35.具体的，所述碳纤维骨架的形式包括正交绕纱、三维细编穿刺或针刺毡。正交绕纱、三维细编穿刺和针刺毡为纤维的三种编织方式。本领域的技术人员可以理解，采用其他类型的编织方式也可实现本发明。
36.具体的，所述热解石墨为点状。点状的热解石墨可使合金与碳纤维之间产生机械耦合，从而提高合金与碳纤维之间的界面结合强度。
37.本发明还提供了一种所述的碳纤维增强的镁铝合金的制备方法。其是通过使用中间相沥青基碳纤维低温丝在封闭环境在发生自沉积负载点状热解石墨，然后引入zrc微粒，优化高惰性碳纤维和镁铝合金之间的界面润湿和结合强度，在低温和常压条件下制备出高性能、高致密度的中间相沥青基碳纤维增强镁铝合金。中间相沥青基碳纤维的石墨化度高，表面化学惰性大，在铝镁铝合金熔融浸渗时难以被润湿，常压下制备复合材料的致密度低；而在高温高压下虽然润湿性得以改善，但过高的温度和压力不仅损伤了纤维预制体，而且导致界面结合差，制备成本高。在中间相沥青基碳纤维上负载点状热解石墨和纳米zrc颗
粒，即可解决上述问题。
38.具体的，首先于450-600℃的温度下碳化中间相沥青基碳纤维预氧丝。将中间相沥青经拉成中间相沥青纤维后进行预氧化即得中间相沥青纤维预氧丝。低于650℃碳化的连续中间相沥青基碳纤维由于未完全碳化，其在石墨化时分解挥发出的甲烷、已烷、丙烷和其它焦油类芳烃化合物以及石墨发热体所升华的碳可作为碳源，在石墨化的过程中，碳源会在纤维表面同步沉积热解石墨，该热解石墨与纤维表面结合紧密，并呈现出明显的粗糙颗粒状结构特征。将上述碳纤维编织成碳纤维预制体i；后于2600～3000℃下石墨化，即可使碳纤维表面沉积热解石墨，从而得到碳纤维预制体ii；将所述碳纤维预制体ii于真空下浸渍于有机锆化物的有机溶液中，烘干后于1000～1600℃进行热处理，从而在碳纤维表面覆着纳米氧化锆，从而得到纤维预制体iii；s4采用镁铝合金粉末包埋所述纤维预制体iii，于真空下升温至600～800℃后，排除反应室和纤维预制体内部的气氛并熔融铝镁合金粉末；充入惰性气体i，使所述纤维预制体iii处于1atm+1～3kpa，升温至目标温度700-900℃，在降低金属熔体粘度的同时促进熔体在纤维之间的充分扩散，提高复合材料的致密度。冷却后，即得所述碳纤维增强的镁铝合金。具体的，所述惰性气体i优选为氩气。
39.由于中间相沥青基碳纤维的石墨化度高，表面化学惰性大，在铝镁铝合金熔融浸渗时难以被润湿，常压下制备复合材料的致密度低；而在高温高压下虽然润湿性得以改善，但过高的温度和压力不仅损伤了纤维预制体，而且导致界面结合差，制备成本高。
40.本发明提供的合金及其制备方法针对上述问题，通过使用中间相沥青基碳纤维低温丝在封闭环境在发生自沉积负载点状热解石墨，然后引入zrc微粒，优化高惰性碳纤维和镁铝合金之间的界面润湿和结合强度，在低温和常压条件下制备出高性能、高致密度的中间相沥青基碳纤维增强镁铝合金。
41.具体的，所述石墨化的加热方式为感应加热。感应加热时，石墨化时纤维除了被加热，表面也存在一个感应电场；纤维分解产生的烃类气态物质，在热解的同时，会被感应电场捕获，形成点状热解石墨。在选择其他加热方式的时候无法得到点状的热解石墨。所述石墨化的环境为封闭环境。具体的，碳纤维预制体i应于封闭的石墨坩埚或工装中石墨化。
42.具体的，所述感应加热的升温速率为1～10℃/min。升温太慢，工艺成本高，但效果没有明显提升；太快，留给化学反应和扩散的时间太短，材料结构不均匀。
43.具体的，所述有机锆化物包括聚乙酰丙酮锆；本领域技术人员可以理解，采用其他的有机锆盐也可实现本发明。
44.具体的，所述有机溶液采用的溶剂包括二甲苯。本领域技术人员可以理解，采用其他的有机溶剂也可实现本发明。
45.具体的，所述有机溶液的浓度为10～50g/100ml；浓度太大，增密效率低，附着量少；浓度太高，不能充分溶解，会有析出。
46.具体的，所述烘干的温度为80～140℃；温度太低，烘干效率很低；温度太高，容易引起副反应，且有效成分会流失。具体的，所述烘干的时间为1～4h；
47.具体的，所述热处理的气氛为惰性气体ii；所述惰性气体ii优选为氩气。
48.具体的，所述热处理的气压为1atm+1～3kpa；该气压式微正压，工艺更简单；结合气氛能防止氧化。所述热处理的升温速率为1～10℃/min。
49.具体的，所述镁铝合金粉末包括az91粉末或az31粉末。a代表金属铝al，z代表金属
锌zn，9代表铝的含量为9％，1代表锌的含量为1％。上述代号为本领域公知常识。
50.实施例1
51.采用450℃低温炭化处理的中间相沥青基碳纤维预氧丝，然后以其为原料，制备成正交绕纱碳纤维预制体i。碳纤维预制体i放入密闭的石墨工装里进行超高温石墨化处理，感应加热温度为2800℃，升温速率为2℃/min，气氛为ar，气压为1个标准大气压+1kpa，使低温丝自身裂解的烃类气体为碳源，在封闭的石墨坩埚内发生自沉积现象，得到负载点状热解石墨的纤维预制体ii。纤维预制体ii真空浸渍聚乙酰丙酮锆的二甲苯溶液，浓度为10g/100ml；浸渍后在100℃烘干1h；然后进行1000℃的热处理，气氛为ar，气压为1个标准大气压+1kpa，升温速率为1℃/min，得到纤维预制体iii。利用真空熔渗法制备碳纤维增强镁铝合金复合材料：第一步，用az91镁铝合金粉末包埋纤维预制体iii，真空升温至目标温度600℃，升温速率为1℃/min，保温1h；第二步，冲入ar至微正压，气压为1个标准大气压+1kpa，升温至目标温度+100℃后，升温速率为1℃/min，保温1h，自然冷却。所得到的中间相沥青基碳纤维增强镁铝合金复合材料致密度为99.1％，导热为220w/m
·
k，模量为180gpa。
52.实施例2
53.采用520℃低温炭化处理的中间相沥青基碳纤维预氧丝，然后以其为原料，制备成细编穿刺碳纤维预制体i。碳纤维预制体i放入密闭的石墨工装里进行超高温石墨化处理，感应加热温度为2900℃，升温速率为5℃/min，气氛为ar，气压为1个标准大气压+2kpa，低温丝自身裂解的烃类气体为碳源，在封闭的石墨坩埚内发生自沉积现象，得到负载点状热解石墨的纤维预制体ii。纤维预制体ii真空浸渍聚乙酰丙酮锆的二甲苯溶液，浓度为30g/100ml；浸渍后在100℃烘干2h；然后进行1300℃的热处理，气氛为ar，气压为1个标准大气压+2kpa，升温速率为5℃/min，得到纤维预制体iii。利用真空熔渗法制备碳纤维增强镁铝合金复合材料：第一步，用az91镁铝合金粉末包埋纤维预制体iii，真空升温至目标温度700℃，升温速率为5℃/min，保温2h；第二步，冲入ar至微正压，气压为1个标准大气压+2kpa，升温至目标温度+100℃后，升温速率为5℃/min，保温2h，自然冷却。所得到的中间相沥青基碳纤维增强镁铝合金复合材料致密度为99.3％，导热为236w/m
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k，模量为182gpa。
54.实施例3
55.采用600℃低温炭化处理的中间相沥青基碳纤维预氧丝，然后以其为原料，制备成细编穿刺碳纤维预制体i。碳纤维预制体i放入密闭的石墨工装里进行超高温石墨化处理，感应加热温度为3000℃，升温速率为10℃/min，气氛为ar，气压为1个标准大气压+3kpa，低温丝自身裂解的烃类气体为碳源，在封闭的石墨坩埚内发生自沉积现象，得到负载点状热解石墨的纤维预制体ii。纤维预制体ii真空浸渍聚乙酰丙酮锆的二甲苯溶液，浓度为50g/100ml；浸渍后在100℃烘干4h；然后进行1600℃的热处理，气氛为ar，气压为1个标准大气压+3kpa，升温速率为10℃/min，得到纤维预制体iii。利用真空熔渗法制备碳纤维增强镁铝合金复合材料：第一步，用az91镁铝合金粉末包埋纤维预制体iii，真空升温至目标温度800℃，升温速率为9℃/min，保温3h；第二步，冲入ar至微正压，气压为1个标准大气压+3kpa，升温至目标温度+100℃后，升温速率为10℃/min，保温3h，自然冷却。所得到的中间相沥青基碳纤维增强镁铝合金复合材料致密度为99.5％，导热为248w/m
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k，模量为196gpa。