專利名稱：碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料，特別是碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料(Cf/Sn)的制備工藝。
背景技術(shù)：
碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電、耐腐蝕、耐磨和減摩的優(yōu)良性能，因此，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用之一就是用作高強(qiáng)度、減摩和耐磨損的軸瓦用材。目前，常用軸瓦材料有三類，I)金屬材料，如軸瓦合金(Sb-Sn、Cu-Sn合金)、銅合金、鋁合金和鑄鐵等；2)多孔質(zhì)金屬材料；3)非金屬材料。但沒有一種材料具備軸瓦材料所需的全部性能。Sb-SnXu-Sn合金是傳統(tǒng)的軸瓦材料，但其性能在一定程度上存在不足，例如其順應(yīng)性、抗咬合性等都很不好，特別是在高負(fù)荷下，其耐磨性能、抗疲勞性能往往不能滿足使用要求。采用碳纖維來(lái)制造復(fù)合材料不僅可以提高基體的強(qiáng)度，還可以利用碳纖維良好的減磨性來(lái)改善基體摩擦磨損行為。目前金屬基復(fù)合材料制備工藝主要有:固態(tài)制造技術(shù)和液態(tài)制造技術(shù)。固態(tài)法是指在制造金屬基復(fù)合材料過(guò)程中，基體處于固態(tài)。由于固態(tài)法的制造溫度低，所以金屬基體與增強(qiáng)體之間的界面反應(yīng)不嚴(yán)重。固態(tài)法包括粉末冶金法、擠壓鑄造法、熱等靜壓法、軋制法、熱擠壓法和熱拉拔法等。在固態(tài)制造法中，由于碳纖維單絲直徑小(6 8μπι)，市場(chǎng)上提供的連續(xù)碳纖維均呈束狀(通常1000 3000根/束)，如果采用粉末冶金法、擠壓鑄造法、熱等靜壓法、軋制法、熱擠壓法和熱拉拔法等方法來(lái)制造Cf/Sn`復(fù)合材料會(huì)造成基體金屬不能夠包覆每根纖維，因此造成纖維和基體在復(fù)合材料中的不連續(xù)性，這樣就不能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用，因此以上采用的固態(tài)法不適合直徑小的增強(qiáng)纖維。液態(tài)法是指金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固態(tài)的增強(qiáng)體復(fù)合的制造方法。使用液態(tài)法在制造(Cf/Sn)復(fù)合材料過(guò)程中存在如下問題:(1)由于錫和碳纖維之間浸潤(rùn)性差，會(huì)造成基體金屬不能夠均勻包覆每根纖維，因此，和固態(tài)法相似，會(huì)造成纖維和基體在復(fù)合材料中的不連續(xù)性，這樣就不能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用；(2)液態(tài)金屬錫浸潰碳纖維后，碳纖維和金屬基體體積含量不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料及其制備方法，解決目前采用碳纖維和基體金屬錫制造復(fù)合材料的工藝，會(huì)造成碳纖維和基體不連續(xù)性，不能充分發(fā)揮碳纖維增強(qiáng)作用的問題。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料，其特性在于:所述的復(fù)合材料的構(gòu)造是:由表面沉積有有錫的碳纖維，縱向平行排列并經(jīng)壓合的板坯；復(fù)合材料的組分及其體積百分比為:碳纖維:30 35%，錫:65 70%。一種碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料的制備方法，其具體的工藝步驟為:(I)碳纖維表面預(yù)處理；(2)碳纖維表面電沉積錫，其電解液配方及電沉積參數(shù)為:溶劑:蒸餾水，Sn SO4:50 60g/L, H2SO4 (98%):60 70g/L, HCHO(甲醛，36%ml/L):15 20g/L，C10H10O (芐叉丙酮):0.2 0.5g/L，C13H14N2 (二氨基二苯甲烷):0.06 0.2g/L，C10H10O2 (對(duì)苯二酚):0.5 1.0g/L, Jk (電流密度):0.3 0.6A/dm2 ；(3)清洗、中和；(4)鍍有錫的碳纖維電沉積錫，其電解液配方及電沉積參數(shù)為:溶劑:蒸餾水，SnSO4:35 45g/L, H2SO4 (98%):40 50g/L, HCHO (甲醛，36%/ml/L):16 20g/L, C10H10O (芐叉丙酮):0.3 0.5g/L，C13H14N2 (二氨基二苯甲烷):0.1 0.2g/L，C10H10O2 (對(duì)苯二酚):0.6 1.0g/L, Jk (電流密度):0.4 0.6A/dm2 ；(5)沉積有錫的碳纖維纏繞在成型輪上，成型電沉積錫，其電解液配方及電沉積參數(shù)為:溶劑:蒸餾水，SnSO4:40 50g/L, H2SO4 (98%):45 50g/L, HCHO (甲醛，36%/ml/L):16 20g/L, C10H10O (芐叉丙酮):0.3 0.5g/L，C13H14N2 (二氨基二苯甲烷):0.1 0.2g/L，C10H10O2 (對(duì)苯二酚):0.7 1.0g/L, Jk (電流密度):0.3 0.5A/dm2 ；(6)取下坯料進(jìn)行清洗、烘干；(7)剪切坯料，裝入模具中；(8)真空熱壓成復(fù)合材料板坯；(9)板還爐冷至室溫。所述的工藝步驟(8)真空熱壓成復(fù)合材料板坯是將裝有復(fù)合絲坯料的模具放入真空度>2X KT2Pa的加熱爐中，隨爐加熱至110 130°C后，在20MPa壓力下，保壓30min熱壓成型。所述的工藝步驟(I)碳纖維預(yù)處理，是將碳纖維束纏繞在布線輪上，放入320°C加熱爐中保溫30min后隨爐冷至室溫。通過(guò)上述工藝制備的Cf/Sn復(fù)合材料具體的性能如下:
復(fù)合材料Cf /Sn
纖維體積比(Y1X 100%)32%
拉伸強(qiáng)度(室溫)(σ b)658MPa
延伸率(室溫)( %)13%
磨損率(載荷75Ν，摩擦速度224mm/s，)1.56mg/m本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用三步電沉積方法制備Cf/Sn復(fù)合材料，在電沉積過(guò)程中可以使每根纖維表面較均勻包覆一層金屬基體，從而保證了纖維在基體中的均勻、連續(xù)分布，可充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。試驗(yàn)證明電沉積法制備Cf/Sn復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是:制造方法簡(jiǎn)單，成本低；可以保證了纖維在基體中的均勻、連續(xù)分布，可充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用；制造過(guò)程中對(duì)纖維不會(huì)造成大的機(jī)械損傷。本發(fā)明采用Sn作為基體材料，而以碳纖維增強(qiáng)，利用三步電沉積法制備的Cf/Sn復(fù)合材料，不僅具有良好的力學(xué)性能，而且具有抗腐蝕、抗蠕變、抗咬合、耐疲勞和變形小的優(yōu)點(diǎn)，可為軸瓦或其它耐磨用材提供更多的選擇。


圖1為碳纖維增強(qiáng)錫基(Cf/Sn)復(fù)合材料制備工藝流程圖；圖2為為碳纖維增強(qiáng)錫基Cf/Sn)復(fù)合材料電沉積工藝裝置圖；圖3為碳纖維增強(qiáng)錫基(Cf/Sn)復(fù)合材料電沉積成型鍍槽中的自動(dòng)布線裝置圖。下面結(jié)合附圖通過(guò)較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用碳纖維為國(guó)產(chǎn)中強(qiáng)型聚丙烯腈(PAN)碳纖維，單絲直徑(6 8) μ m，成束狀(1000根/束)，可按設(shè)計(jì)體積配比30 35%選取。其抗拉強(qiáng)度為2200MPa，彈性模量為 200GPa，密度為 1.78g/cm3，含碳量 >96%。基體材料為純錫，抗拉強(qiáng)度為170MPa (冷變形態(tài))，所用電沉積藥品均為化學(xué)純。本發(fā)明工藝流程如圖1所示。1、碳纖維預(yù)處理為避免單根纖維之 間黏結(jié)在一起和纖維間的磨損，所購(gòu)買的成束狀碳纖維表面均涂有黏結(jié)劑，使用前均需把黏結(jié)劑去掉，首先把碳纖維纏繞在鋼制布線輪上，然后放入到320°C加熱爐中，保溫30min后關(guān)掉加熱爐電源，隨爐冷到到室溫出爐。2、第一步電沉積錫首先在碳纖維表面預(yù)電沉積一層錫(體積比大約15%)，在第一步電沉積錫過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)電沉積液成分及工藝，確保每一根碳纖維表面能夠均勻包覆一層錫，為第二步增厚電沉積錫奠定良好基礎(chǔ)。電沉積錫的體積含量可以通過(guò)調(diào)整電沉積電流密度來(lái)控制，以滿足設(shè)計(jì)要求的體積百分比值。第一步電沉積電解液配方及電沉積參數(shù)如下:溶劑:蒸餾水。
第一組第二組第三組
SnS0.,50 g/L55 g/L60g/L
H2SO4 (98%)60 g/L65 g/L70g/L
HCHO (甲醛，36%ml/L)15g/L18g/L20g/L
C10HhiO 芐叉丙酮0.2g/L0.35g/L0.5g/LCi3H14N2 (二氨基二苯甲烷)0.06g/L0.12g/L0.2g/L
Ci0H10O2(對(duì)苯二酹)0.5g/L0.75g/L1.0g/L
Jk (電流密度)0.3 A/dm20.45 A/dm2 0.6 A/dm23、清洗、中和由于第一步電沉積電解液與第二步電沉積電解液配方略有不同，所以從第一步電沉積電解液出來(lái)的已電沉積錫的碳纖維表面，需經(jīng)過(guò)清洗槽和中和槽處理才可進(jìn)入第二步電沉積電解液，避免對(duì)第二步電沉積電解液造成影響。4、第二步電沉積錫對(duì)第一步電沉積錫的碳纖維表面進(jìn)行增厚電沉積錫。電沉積錫的體積含量可以通過(guò)調(diào)整電沉積電流密度來(lái)控制，以滿足設(shè)計(jì)要求的體積百分比值第二步電沉積電解液配方及電沉積參數(shù)如下:溶劑:蒸餾水
藥一組第二組第三組
SnSO,35g/L40g/L45g/L
H2S0., (98%)40g/L45g/L50g/L
HCHO (甲醛，36%/ml/L) 16g/L18g/L20g/L
C10H10O 芐叉丙醒0.3g/ L0.4g/L0 5g/L
C13HwN2 (二氨基二苯甲烷)0.1g/L0.15g/L0.2g/L
C10H10O2(對(duì)苯二酚)0.6g/L0.8g/L1.0g/L
Jk (電流密度)0.4 A/dm20.5 A/dm2 0.6 A/dm24、第三步成型電沉積錫把經(jīng)過(guò)第二步電沉積錫的碳纖維纏繞在表面包覆一層錫箔的成型輪上，在成型鍍槽中進(jìn)行電沉積錫，最終形成復(fù)合絲坯料。電沉積錫的體積含量可以通過(guò)調(diào)整電沉積電流密度來(lái)控制。第三步電沉積電解液配方及電沉積參數(shù)如下:溶劑:蒸餾水
第一相第一相第二相
y\ -J ^dZLl^\ -J-* ^dZLl^\ -J-- ^i1-
SnS0.140g/L45g/L50g/LH2SO4 (98%)45g/L46g/L50g/L
HCHO (甲醛，36%ml/L)16g/L18g/L20g/L
C10HwO (芐叉丙酮)0.3g/L0.4g/L0.5g/L
C13HhN2 (二氨基二苯甲烷)0.1g/L0.15g/L0.2g/L
C10HleO2O^苯二酚)0.7g/L0.85g/L1.0g/LJk (電流密度)0.3 A/dm0.45 A/dm20.5 A/dm25、清洗、烘干對(duì)經(jīng)過(guò)第三步電沉積錫的復(fù)合絲坯料從成型輪上取下，清洗掉表面的電解液，然后烘干。6、剪切、裝模把烘干的復(fù)合絲坯料剪切，然后放入鋼制模具中。7、真空熱壓把裝有復(fù)合絲坯料的模具放入加熱爐中，在高于2X KT2Pa的真空度下隨爐加熱到熱壓溫度后保溫，保溫一定時(shí)間后進(jìn)行熱壓擴(kuò)散處理，熱壓擴(kuò)散結(jié)束后隨爐冷卻到室溫出爐，最終復(fù)合材料毛坯在真空熱壓機(jī)組上熱壓成復(fù)合材料板坯。真空熱壓工藝參數(shù)如下:真空度:>2X KT2Pa熱壓溫度:110 130°C
熱壓壓力JOMPa熱壓時(shí)間:30min實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的工藝裝置如圖2所示。 碳纖維束I由放線輪6引出，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4驅(qū)動(dòng)。首先經(jīng)預(yù)鍍錫槽7，然后經(jīng)過(guò)清洗槽8清洗，再經(jīng)中和槽9中和，經(jīng)鍍錫槽10通過(guò)布線裝置5再進(jìn)入成型鍍錫槽11，最后纏繞在成型卷曲輪12上，形成復(fù)合絲坯料。與每個(gè)鍍槽連接有電源2和電解液過(guò)濾泵3。復(fù)合材料在電沉積成型鍍槽中的自動(dòng)布線裝置如圖3所示。復(fù)合絲13由布線裝置5穿出，繞至成型卷曲輪12。復(fù)合絲13在錫極板15的電解作用沉積錫的同時(shí)，由絲桿驅(qū)動(dòng)，順序排列在成型卷曲輪12上，形成碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合絲坯料14。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料，其特征在于:所述的復(fù)合材料的構(gòu)造是:由表面沉積有有錫的碳纖維，縱向平行排列并經(jīng)壓合的板坯；復(fù)合材料的組分及其體積百分比為:碳纖維:30 35%，錫:65 70%。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料的方法，步驟包括:碳纖維預(yù)處理，電沉積金屬，真空熱壓，其特征在于:所述的制備碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料的工藝步驟為: (1)碳纖維表面預(yù)處理； (2)碳纖維表面電沉積錫，其電解液配方及電沉積參數(shù)為: 溶劑:蒸餾水，SnSO4:50 60g/L, H2SO4:60 70g/L, HCHO:15 20g/L, C10H10O:0.2 0.5g/L,C13H14N2:0.06 0.2g/L, C10H10O2:0.5 1.0g/L, Jk:0.3 0.6Α/dm2 ； (3)清洗、中和； (4 )鍍有錫的碳纖維電沉積錫,其電解液配方及電沉積參數(shù)為: 溶劑:蒸餾水，SnSO4:35 45g/L, H2SO4:40 50g/L, HCHO:16 20g/L, C10H10O:0.3 0.5g/L,C13H14N2:0.1 0.2g/L, C10H10O2:0.6 1.0g/L, Jk:0.4 0.6A/dm2 ； (5)沉積有錫的碳纖維纏繞在成型輪上，成型電沉積錫，其電解液配方及電沉積參數(shù)為: 溶劑:蒸餾水，SnSO4:40 50g/L, H2SO4:45 50g/L, HCHO:16 20g/L, C10H10O:0.3 0.5g/L,C13H14N2:0.1 0.2g/L, C10H10O2:0.7 1.0g/L, Jk:0.3 0.5A/dm2 ； (6)取下坯料進(jìn)行清洗、烘干； (7)剪切坯料，裝入模具中； (8)真空熱壓成復(fù)合材料板坯； (9)板坯爐冷至室溫。
3.按照權(quán)利要求2所述的碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的工藝步驟(8)真空熱壓成復(fù)合材料板坯是將裝有復(fù)合絲坯料的模具放入真空度>2X 10_2Pa的加熱爐中，隨爐加熱至110 130°C后，在20MPa壓力下，保壓30min熱壓成型。
4.按照權(quán)利要求2 所述的碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的工藝步驟(I)碳纖維預(yù)處理，是將碳纖維束纏繞在布線輪上，放入320°C加熱爐中保溫30min后隨爐冷至室溫。
全文摘要
碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料及其制備方法，涉及金屬基復(fù)合材料，解決目前采用碳纖維和基體金屬錫制造復(fù)合材料的工藝，會(huì)造成碳纖維和基體不連續(xù)，不能充分發(fā)揮碳纖維增強(qiáng)作用的問題。本發(fā)明的復(fù)合材料組分與體積百分比為碳纖維30～35%，錫65～70%。工藝步驟為碳纖維預(yù)處理，電沉積錫、清洗、中和，電沉積錫，成型電沉積錫，坯料清洗、烘干，裁剪坯料放入模具，真空熱壓，隨爐冷卻。本發(fā)明利用三步電沉積法制備的Cf/Sn復(fù)合材料，不僅具有良好的力學(xué)性能，而且具有抗腐蝕、抗蠕變、抗咬合、耐疲勞和變形小的優(yōu)點(diǎn)，可為軸瓦或其它耐磨用材提供更多的選擇。
文檔編號(hào)C22C49/00GK103194698SQ20131013380
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者胡保全, 牛晉川, 徐璟, 胡文鑫 申請(qǐng)人:中北大學(xué)