碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，该复合材料含有以下质量百分含量的组分：粒度≤120μm的石墨粉1～10%、粒度≤85μm的钴粉4～9%、粒度≤100μm的硫化铝5～6%、粒度≤75μm的氧化锌7～9%、粒度≤40μm的氧化铁2～6%、粒度≤30μm的羧甲基纤维素钠1～5%、粒度≤25μm的碳化硅4～20%、其余为粒度≤60μm的铝粉。制备方法：将隔成分混匀后，经过GB6003规定的200目筛，然后至少干混1～2h；在700～800MPa的压力下压制成型；烧结，烧结温度为800～1200℃，烧结压力为2～3MPa，保温时间为30～40min。降温冷却。碳化硅的加入可以大幅度细化基体组织，使颗粒分布均匀，拉伸强度和屈服强度增强，硬度高。

权利要求

1.碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于，含有以下质量百分含量的组分：粒度≤120μm的石墨粉5%、粒度≤85μm的钴粉8%、粒度≤100μm的硫化铝5.5%、粒度≤75μm的氧化锌8%、粒度≤40μm的氧化铁4%、粒度≤30μm的羧甲基纤维素钠3%、粒度≤25μm的碳化硅12%、其余为粒度≤60μm的铝粉。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强铝基复合材料，其特征在于，碳化硅比重为3.23～

3.24，显微硬度为2840～2900kg/mm2。

3.基于权利要求1所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将石墨粉、钴粉、硫化铝、氧化锌、氧化铁、羧甲基纤维素钠、碳化硅、铝粉混匀后，经过GB6003规定的200目筛，然后至少干混1～2h；

（2）在700～800MPa的压力下压制成型；

（3）烧结，烧结温度为800～1200℃，烧结压力为2～3MPa，保温时间为30～40min；

（4）降温冷却。

4.根据权利要求3所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）升温速率为80～90℃/min。

5.根据权利要求3所述的碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）降温速率为1.5℃/min。

说明书

碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于冶金复合材料领域，尤其涉及一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。

[0003] 铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。但是现有技术的铝基复合材料的颗粒分布不均匀，网孔较大，因此硬度较低，而且其拉伸强度和屈服强度也不高。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术的不足，提供一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，复合材料的颗粒分布均匀，拉伸强度和屈服强度增强，硬度高。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0006] 碳纤维增强铝基复合材料，含有以下质量百分含量的组分：粒度≤120μm的石墨粉1～10%、粒度≤85μm的钴粉4～9%、粒度≤100μm的硫化铝5～6%、粒度≤75μm的氧化锌7～
9%、粒度≤40μm的氧化铁2～6%、粒度≤30μm的羧甲基纤维素钠1～5%、粒度≤25μm的碳化硅
4～20%、其余为粒度≤60μm的铝粉。

[0007] 作为对本发明的进一步改进，碳纤维增强铝基复合材料，含有以下质量百分含量的组分：石墨粉5%、钴粉8%、硫化铝5.5%、氧化锌8%、氧化铁4%、羧甲基纤维素钠3%、碳化硅12%、其余为铝粉。

[0008] 作为对本发明的进一步改进，碳化硅比重为3.23～3.24，显微硬度为2840～2900kg/mm2。

[0009] 上述碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0010] （1）将石墨粉、钴粉、硫化铝、氧化锌、氧化铁、羧甲基纤维素钠、碳化硅、铝粉混匀后，经过GB6003规定的200目筛，然后至少干混1～2h；

[0011] （2）在700～800MPa的压力下压制成型；

[0012] （3）烧结，烧结温度为800～1200℃，烧结压力为2～3MPa，保温时间为30～40min。

[0013] （4）降温冷却。

[0014] 作为对本发明的进一步改进，步骤（3）升温速率为80～90℃/min。

[0015] 作为对本发明的进一步改进，步骤（4）降温速率为1.5℃/min。

[0016] 原理：碳化硅可以大幅度细化基体组织，经过高温分散后，使颗粒分布均匀，强度高，硬度高。

[0017] 有益效果

[0018] 本发明的布氏硬度为90.8～92.6，拉伸强度为269～276MPa，屈服强度为176～180MPa，弹性模量为86～89GPa，因为碳化硅的加入可以大幅度细化基体组织，使颗粒分布均匀，拉伸强度和屈服强度增强，硬度高。

具体实施方式

[0019] 下面通过具体实施例对本发明作进一步详细介绍，但不局限于此。

[0020] 实施例1

[0021] 碳纤维增强铝基复合材料，含有以下质量百分含量的组分：粒度≤120μm的石墨粉5%、粒度≤85μm的钴粉8%、粒度≤100μm的硫化铝5.5%、粒度≤75μm的氧化锌8%、粒度≤40μm的氧化铁4%、粒度≤30μm的羧甲基纤维素钠3%、粒度≤25μm的碳化硅12%、其余为粒度≤60μm的铝粉。

[0022] 碳化硅比重为3.23～3.24，显微硬度为2840～2900kg/mm2。

[0023] 上述碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0024] （1）将石墨粉、钴粉、硫化铝、氧化锌、氧化铁、羧甲基纤维素钠、碳化硅、铝粉混匀后，经过GB6003规定的200目筛，然后至少干混1～2h；

[0025] （2）在700～800MPa的压力下压制成型；

[0026] （3）烧结，烧结温度为800～1200℃，烧结压力为2～3MPa，保温时间为30～40min。

[0027] （4）降温冷却。

[0028] 步骤（3）升温速率为80～90℃/min。

[0029] 步骤（4）降温速率为1.5℃/min。

[0030] 实施例2

[0031] 碳纤维增强铝基复合材料，含有以下质量百分含量的组分：粒度≤120μm的石墨粉1%、粒度≤85μm的钴粉4%、粒度≤100μm的硫化铝5%、粒度≤75μm的氧化锌7%、粒度≤40μm的氧化铁2%、粒度≤30μm的羧甲基纤维素钠1%、粒度≤25μm的碳化硅4%、其余为粒度≤60μm的铝粉。

[0032] 碳化硅比重为3.23～3.24，显微硬度为2840～2900kg/mm2。

[0033] 上述碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0034] （1）将石墨粉、钴粉、硫化铝、氧化锌、氧化铁、羧甲基纤维素钠、碳化硅、铝粉混匀后，经过GB6003规定的200目筛，然后至少干混1～2h；

[0035] （2）在700～800MPa的压力下压制成型；

[0036] （3）烧结，烧结温度为800～1200℃，烧结压力为2～3MPa，保温时间为30～40min。

[0037] （4）降温冷却。

[0038] 步骤（3）升温速率为80～90℃/min。

[0039] 步骤（4）降温速率为1.5℃/min。

[0040] 实施例3

[0041] 碳纤维增强铝基复合材料，含有以下质量百分含量的组分：粒度≤120μm的石墨粉10%、粒度≤85μm的钴粉9%、粒度≤100μm的硫化铝6%、粒度≤75μm的氧化锌9%、粒度≤40μm的氧化铁6%、粒度≤30μm的羧甲基纤维素钠5%、粒度≤25μm的碳化硅20%、其余为粒度≤60μm的铝粉。

[0042] 碳化硅比重为3.23～3.24，显微硬度为2840～2900kg/mm2。

[0043] 上述碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0044] （1）将石墨粉、钴粉、硫化铝、氧化锌、氧化铁、羧甲基纤维素钠、碳化硅、铝粉混匀后，经过GB6003规定的200目筛，然后至少干混1～2h；

[0045] （2）在700～800MPa的压力下压制成型；

[0046] （3）烧结，烧结温度为800～1200℃，烧结压力为2～3MPa，保温时间为30～40min。

[0047] （4）降温冷却。

[0048] 步骤（3）升温速率为80～90℃/min。

[0049] 步骤（4）降温速率为1.5℃/min。

[0050] 实施例4

[0051] 碳纤维增强铝基复合材料，含有以下质量百分含量的组分：粒度≤120μm的石墨粉2%、粒度≤85μm的钴粉5%、粒度≤100μm的硫化铝5.3%、粒度≤75μm的氧化锌8%、粒度≤40μm的氧化铁3%、粒度≤30μm的羧甲基纤维素钠2%、粒度≤25μm的碳化硅18%、其余为粒度≤60μm的铝粉。

[0052] 碳化硅比重为3.23～3.24，显微硬度为2840～2900kg/mm2。

[0053] 上述碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0054] （1）将石墨粉、钴粉、硫化铝、氧化锌、氧化铁、羧甲基纤维素钠、碳化硅、铝粉混匀后，经过GB6003规定的200目筛，然后至少干混1～2h；

[0055] （2）在700～800MPa的压力下压制成型；

[0056] （3）烧结，烧结温度为800～1200℃，烧结压力为2～3MPa，保温时间为30～40min。

[0057] （4）降温冷却。

[0058] 步骤（3）升温速率为80～90℃/min。

[0059] 步骤（4）降温速率为1.5℃/min。

[0060] 对比例1

[0061] 与实施例1相同，不同在于：二氧化硅颗粒代替碳化硅晶须。

[0062] 性能测试试验

[0063] 测试结果见下表1。

[0064] 表1

[0065]  实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1
布氏硬度 92.6 91.3 90.8 91.6 62.5
拉伸强度MPa 276 273 269 275 216
屈服强度MPa 180 176 177 178 101
弹性模量GPa 89 86 87 88 45

[0066] 结论：对比例1的布氏硬度为62.5，拉伸强度为216MPa，屈服强度为101MPa，弹性模量为45GPa，而本发明的布氏硬度为90.8～92.6，拉伸强度为269～276MPa，屈服强度为176