一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法

本发明涉及铝基复合材料及制备，具体涉及一种具有高的强度和良好韧性以及优异耐磨性能的铝基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、为满足月球车在月球表面“服役”面临的冲击、碰撞等复杂情况，月球车车轮必须具有轻质、高强、高韧、耐磨的性能。但是传统的金属材料很难兼顾到月球车车轮的这些需求。通常单一的增强体增强的复合材料随着强度得增加，韧性下降，而多种增强体混杂增强复合材料可以充分发挥每种增强体的优势，制备出综合性能优异的复合材料。

2、对于航空航天部件，要求材料性能高并且质量轻，钛金属纤维具有良好的力学性能，具有较好的断裂比强度，和较高的拉伸比模量，可弯折，韧性良好。而现有铝基复合材料并不具有兼顾强度和韧性、强度与耐磨性的性能。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有铝基复合材料不能兼顾强度和韧性、强度与耐磨性的问题，而提供一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法。本发明提出一种钛纤维和碳化硅晶须混杂增强铝基复合材料及其制备方法，在提高材料强度的同时，保持或提高其塑性，进一步扩大铝基复合材料的应用范围。本发明获得了一种适用于月球车车轮等使用的轻质耐磨、高强高韧的铝基复合材料。

2、一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，具体按以下步骤进行：

3、一、采用tc4钛合金丝平纹编织成2d[45°/45°]钛纤维网，清洗后根据石墨模具的尺寸裁剪2d[45°/45°]钛纤维网；

4、二、按照公式m＝v×φ×ρ计算所需的碳化硅晶须的质量，其中v为所设计的预制体体积，单位为cm3，φ为所设计的碳化硅晶须的体积分数，ρ为所设计的碳化硅晶须的密度，单位为g/cm3，m为所设计的碳化硅晶须的质量，单位为g；

5、三、按照步骤二计算的碳化硅晶须的质量称取碳化硅晶须，然后放入无水乙醇中，依次采用超声分散和磁力搅拌的方法进行分散，得到sicw均匀分布的sic晶须悬浊液；

6、四、在石墨模具表面喷涂脱模剂，然后在石墨模具的一面铺设第一层步骤一裁剪的2d[45°/45°]钛纤维网，在2d[45°/45°]钛纤维网上涂刷一层步骤三中配制的sic晶须悬浊液，然后铺设第二层2d[45°/45°]钛纤维网，并均匀涂覆sic晶须悬浊液，以此类推，叠层铺设n层2d[45°/45°]钛纤维网，获得预制体；

7、五、将步骤四铺设的预制体施压，并采用双头螺栓将上下模具紧固压牢，然后将组装的石墨胎膜装入钢模具中；

8、六、利用压力浸渗法将步骤五获得的石墨胎膜浸入5056铝合金熔液中，然后冷却脱模，按图纸车掉石墨模具，即得sic晶须和连续钛纤维协同强化的高强韧耐磨铝基复合材料。

9、其中步骤一所述2d[45°/45°]钛纤维网为二维编织钛纤维的经线与纬线的夹角为90°，即经线和纬线与水平线的夹角分别为45°。

10、进一步的，步骤二预制体体积v＝n×(m/ρti)，其中m为一层2d[45°/45°]钛纤维网的质量，单位为g，ρti为2d[45°/45°]钛纤维网的密度，单位为g/cm3，n为2d[45°

11、/45°]钛纤维网层数。

12、本发明用连续的钛金属丝作为增强体，制备金属复合材料，可以在提高复合材料的模量，而不降低复合材料塑性和韧性。另外碳化硅晶须是一种缺陷较少的，有一定长径比的单晶纤维，具有高熔点、低密度、高强度、高弹性模量、低热膨胀率以及耐磨、耐腐蚀、抗高温性能强等特性，因此，本发明将钛丝和碳化硅晶须作为增强体，以铝合金给为基体材料，制备出了一种具有良好强韧性、耐磨性能和适用于复杂形状构件的轻质铝基复合材料。

13、本发明采用压力浸渗成形，该方法设备简单、工艺流程短、工艺参数控制灵活，适用于纤维、晶须、粉末、纳米颗粒等多类增强体，可获得较好的界面强度。

14、本发明与现有技术相比，本发明有益效果如下：

15、本发明基于用连续的钛纤维作骨架，采用传统铸造方法进行包覆铸造，制备出特殊类型的双金属复合材料；将钛纤维制成的网络结构，经过表面处理成二维互连结构，增强与基体的界面结合，提高了模量，而不破坏复合材料延性和韧性。加入的sic晶须在铺层方向上均匀地分布，具有较好的弥散强化效果，可以提高基体的强度及硬度，从而提高复合材料的耐磨性；并且通过晶须的裂纹偏转、晶须拔出和桥联作用进一步提高复合材料的断裂韧性。本发明工艺流程简单，得到的碳化硅晶须与钛纤维混杂增强铝基复合材料，具有优良的综合机械性能，其抗弯强度为505mpa、断裂韧性达到29.1mpa·m1/2和0.375较低的摩擦系数；能满足诸如月球车轮履带板等对材料耐磨性能和断裂韧性方面的需要。

16、本发明制备的高强韧耐磨铝基复合材料用于航空航天部件中。

技术特征：

1.一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述tc4钛合金丝的直径为0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三所述超声分散时间为30分钟。

4.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三所述磁力搅拌时间为30分钟。

5.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一采用无水乙醇进行清洗。

6.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二φ为3％，计算碳化硅晶须的质量为3.1g。

7.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二φ为5％，计算碳化硅晶须的质量为5.2g。

8.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二φ为10％，计算碳化硅晶须的质量为10.3g。

9.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二预制体体积v＝n×(m/ρti)，其中m为一层2d[45°/45°]钛纤维网的质量，单位为g，ρti为2d[45°/45°]钛纤维网的密度，单位为g/cm3，n为2d[45°/45°]钛纤维网层数。

10.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三所述碳化硅晶须的长径比为12.5～13.5，直径为250～320nm。

技术总结一种高强韧耐磨铝基复合材料的制备方法，本发明涉及铝基复合材料及制备技术领域。本发明目的是为了解决现有铝基复合材料不能兼顾强度和韧性、强度与耐磨性的问题。方法：一、制备2D[45°/45°]钛纤维网；二、计算碳化硅晶须质量；三、制备SiC晶须悬浊液；四、制备预制体；五、紧固，装入钢模具；六、浸入铝合金熔液中，然后冷却脱模，车掉石墨模具。本发明采用压力浸渗成形，该方法设备简单、工艺流程短、工艺参数控制灵活，得到的碳化硅晶须与钛纤维混杂增强铝基复合材料，具有优良的综合机械性能。能满足诸如月球车轮履带板等对材料耐磨性能和断裂韧性方面的需要。本发明制备的高强韧耐磨铝基复合材料用于航空航天部件中。技术研发人员：康鹏超,杜亭亭,武高辉,王康,巩雪鉴,陈明,倪文成,王储受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2