一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法，属于复合材料制备领域。
【背景技术】
[0002]钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50?60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。随着科学技术的发展，各个应用领域对钛合金材料性能的要求越来越高，材料不仅需要强度高、密度小、刚度大、塑性和韧性好，还需要具备良好的动态力学性能。但是仅通过钛合金材料很难满足以上要求，因此研究人员开始制备力学性能优异的钛合金复合材料，碳纤维由于具有一系列优异性能而成为复合材料中主要的增强纤维。与钛合金材料相比，碳纤维增强钛合金复合材料具有良好的耐磨性能、耐疲劳性能，以及更高的比强度和比模量，是航天、航空技术领域中离心的结构材料。
[0003]目前碳纤维增强钛合金复合材料是通过机械复合方式或直接将碳纤维用冶金方式复合于金属块体内，由于碳纤维表面光滑、惰性大、具有化学活性的官能团少，与钛合金基体间的化学相容性和物理相容性差，碳纤维难以复合入钛合金内，导致复合材料结合力低，在使用中容易发生脱抽，碳纤维抗拉伸和抗剪切性能降低。因此研究出一种提高碳纤维和钛合金相容性和结合力的方法，在相关领域具有很好的发展前景和社会价值。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题:针对通过机械复合方式或直接将碳纤维用冶金方式复合于金属块体内，由于碳纤维表面光滑、惰性大、具有化学活性的官能团少，与钛合金基体间的化学相容性和物理相容性差，碳纤维难以复合入钛合金内，导致复合材料结合力低，在使用中容易发生脱抽，碳纤维抗拉伸和抗剪切性能降低的弊端，提供了一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法，本发明聚丙烯酰胺为原料制备碳纤维，抽丝后用有机物浸泡，然后纺丝与制得的二氧化钛悬浊液混合，将二氧化钛负载于纺丝上，再与金属钛混合，经烘箱干燥、煅烧后制得。本发明制备方法简单，所得复合材料结合力高。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是:
(1)取2?3kg水绵和2?3kg苎麻茎分别用清水冲洗1?2次，自然风干，再在紫外灯下进行杀菌处理1?3h，去除污渍和杂质，将水绵和苎麻茎置于密闭容器内，加入去离子水浸泡10?20min，待浸泡完成后，分别加入20?30%的水和10?15%的纤维素酶酶解30?50min，得混合酶解液；
(2)将上述所得的混合酶解液置于发酵罐中，再向发酵罐中分别加入1?2%的酵母菌和3?5%的水，在25?30°C下密封发酵8?12天，待发酵完成后，向发酵液中分别加入质量分数为18?23%的乙酸乙酯溶液和质量分数为98%的乙酸溶液，控制温度为28?35°C，设置转速为500?700 r/min，磁力搅拌30?40min，静置1?2h，过滤得沉淀物；
(3)取4?8g聚丙烯酰胺颗粒放入三角烧瓶中，并向其中加入50?60mL水，控制温度为25?35°C，再以5°C /min的速度程序搅拌升温至100?110°C，保持温度搅拌20?30min，然后加入上述所得的沉淀物，在1500?2000 r/min转速下搅拌30?50min后，置于挤压机中，压力设定为1?2MPa，挤压得饼状碳纤维材料，再将其放入抽丝机中抽成直径为1?2 μ??的丝状物，备用；
(4)取0.5?0.7kg棉花叶和0.3?0.5kg吊兰，放入质量分数为5?10%的氯化钠溶液中浸泡30?40min后，用水清洗1?2次，自然风干后放入矩形容器内捣碎成渣，向其中加入30?50mL 二氣乙烧混合，抽提得抽提液；
(5)将上述所得的抽提液加入备用的丝状物中，控制温度25?30°C，浸泡1?2h，待浸泡完成后，控制转速为500?700 r/min，搅拌30?40min得混合溶液，将其经喷丝板上的喷丝孔挤出细流，随后放入凝固浴中凝固20?30min，得纺丝备用；
(6 )取30?40mL尿素加入反应器内，控制温度为40?60 °C，同时向反应器中加入10?15g硫酸氧钛，磁力搅拌30?40min，再加入10?15g十二烧基苯磺酸钠，搅拌混合均勾，放入油浴中加热反应1?3h，反应完成后，冷却至室温，过滤后用去离子水洗涤3?5次，加入10?20mL氨水混合后，放入干燥箱中，控制温度为80?95°C，干燥2?3h，再置于电阻炉中煅烧5?7h，得二氧化钛粗品；
(7)将上述所得的二氧化钛粗品置于粉碎机中进行初步粉碎，加入40?50mL三乙醇胺溶液，搅拌混合均匀，置于干燥箱中，控制温度为80?95°C，干燥30?50min，放入粉碎机中粉碎成颗粒，得二氧化钛精品，然后将二氧化钛精品加入加入到30?40mL的聚乙二醇中，在28?35°C温度下进行搅拌混合均匀，得二氧化钛悬浊液；
(8)将上述所得的二氧化钛悬浊液加入备用的纺丝中，浸泡1?2h，待浸泡完成后，控制转速为1000?1200 r/min,磁力搅拌40?50min，混合均勾，再向其中加入10?15g金属钛粉末，控制温度为90?100°C，搅拌30?40min，得混合物；
(9)将上述所得的混合物置于鼓风干燥箱中，在温度为85?90°C下干燥2?4h，干燥后放入管式气氛炉中，向其中通入氩气排除空气后，在氩气、温度为500?700°C的环境下，煅烧18?22h后，自然冷却至室温，即制得一种碳纤维增强钛合金复合材料。
[0006]所述的凝固浴是硫酸钠和硫酸按固液比5:1，在温度为70?80°C下，搅拌混合而成。
[0007]本发明与其他方法相比，有益技术效果是:
(1)本发明制备方法简单，通过对碳纤维进行处理，提高了碳纤维和钛合金基体间的化学相容性和物理相容性；
(2)所得产品质量好，结合力高，使用中不易发生脱抽，材料抗拉伸和抗剪切性能高。
【具体实施方式】
[0008]首先取2?3kg水绵和2?3kg苎麻茎分别用清水冲洗1?2次，自然风干，再在紫外灯下进行杀菌处理1?3h，去除污渍和杂质，将水绵和苎麻茎置于密闭容器内，加入去离子水浸泡10?20min，待浸泡完成后，分别加入20?30%的水和10?15%的纤维素酶酶解30?50min，得混合酶解液；然后将上述所得的混合酶解液置于发酵罐中，再向发酵罐中分别加入1?2%的酵母菌和3?5%的水，在25?30°C下密封发酵8?12天，待发酵完成后，向发酵液中分别加入质量分数为18?23%的乙酸乙酯溶液和质量分数为98%的乙酸溶液，控制温度为28?35°C，设置转速为500?700 r/min,磁力搅拌30?40min，静置1?2h，过滤得沉淀物；取4?8g聚丙烯酰胺颗粒放入三角烧瓶中，并向其中加入50?60mL水，控制温度为25?35°C，再以5°C /min的速度程序搅拌升温至100?110°C，保持温度搅拌20?30min，然后加入上述所得的沉淀物，在1500?2000 r/min转速下搅拌30?50min后，置于挤压机中，压力设定为1?2MPa，挤压得饼状碳纤维材料，再将其放入抽丝机中抽成直径为1?2 μ m的丝状物，备用；再取0.5?0.7kg棉花叶和0.3?0.5kg吊兰，放入质量分数为5?10%的氯化钠溶液中浸泡30?40min后，用水清洗1?2次，自然风干后放入矩形容器内捣碎成渣，向其中加入30?50mL 二氯乙烷混合，抽提得抽提液；