高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法与流程

本发明属于复合材料，具体地，涉及高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法。

背景技术：

1、铝基复合材料的研究始于20世纪60年代，最初是为了满足航空航天应用的需求，随着材料科学的不断发展，铝基复合材料制备技术的不断创新，铝基复合材料的应用领域也在不断扩展；铝基复合材料的种类从最初的纤维增强铝基复合材料，发展到后来的颗粒增强铝基复合材料、晶须增强铝基复合材料等多种类型，铝基复合材料在性能优化方面取得了显著进展，在汽车，电子等关键领域都有了广泛的应用。

2、铝基复合材料技术是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相制备非均质混合物，最终制得的材料结合了铝的轻质、高延展性和增强相的高强度、高模量等优点，具有比强度高、比模量高、耐磨性好、热膨胀系数低、阻尼性能好等优异性能；随着全球工业化的加速和科学技术的进步，铝基复合材料的市场需求不断增长，年复合增长率保持在稳健的5.4%水平，因此，铝基复合材料的市场前景非常广阔。

3、现有技术中，如果制备铝基复合材料所用的基体与增强相的兼容性不好，可能会导致铝基复合材料内部产生裂纹和剥离等问题，从而降低铝基复合材料的机械性能，此外，制备铝基复合材料的增强相中往往需要用到一些绝缘材料，这些材料的加入会在一定程度上影响铝基复合材料的导电性，随着绝缘材料含量的提高，这种影响将尤为明显，这可能会限制铝基复合材料在需求导电性场合的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，用于解决上述问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

4、第一步：将碳纤维用丙酮处理24h，之后将处理过的碳纤维加入三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入二甲亚砜和环氧氯丙烷，超声混合均匀，之后向三口烧瓶中加入氢氧化钠溶液，装上冷凝管和温度计，开启磁力搅拌，在温度50℃条件下3h，反应结束后，抽滤，抽滤所得固体用乙醇清洗后干燥得到中间体1；

5、第二步：将中间体1、二氧六环加入三口烧瓶中，超声混合均匀后，装上冷凝管和温度计，开启磁力搅拌，在氮气保护条件下用高压滴加泵向三口烧瓶中滴加六甲基二硅氮烷，滴加完毕后，在温度50℃条件下反应6h，反应结束后，抽滤，抽滤所得固体用乙醇洗涤后干燥得到中间体2；

6、第三步：将中间体2、三乙胺、四氢呋喃混合于三口烧瓶中，超声混合均匀后，装上冷凝管和温度计，开启磁力搅拌，向三口烧瓶中滴加2-噻吩乙酰氯，滴加完毕后，在60-70℃反应24h，反应结束后，抽滤，所得固体用乙醇洗涤后干燥得到改性碳纤维；

7、第四步：将碳化硅，改性碳纤维在氮气保护的手套箱中混合，随后加入钢球高能球磨，期间每球磨30min中断20min进行冷却，球磨结束得到复合增强材料；

8、第五步：将复合增强材料，铝合金粉末共同球磨混合，球磨结束得到复合粉；

9、第六步：将复合粉装入模具中，真空热压烧结得到所述高强度铝基复合材料。

10、进一步地，第一步中的氢氧化钠为物质的量浓度4mol/l的氢氧化钠水溶液，所用碳纤维、二甲亚砜、环氧氯丙烷、氢氧化钠溶液的用量比为5g:30-45ml:3-5ml:10-15ml。

11、进一步地，第二步中所用中间体1、二氧六环、六甲基二硅氮烷的用量比为5g:20-30ml:2-3ml。

12、进一步地，第三步中所用中间体2、三乙胺、四氢呋喃、2-噻吩乙酰氯的用量比为5g:2-3.4ml:30-45ml:3ml。

13、进一步地，第四步中所用的钢球规格为10mm，球磨时的球料比为30:1。

14、进一步地，第四步中球磨转速为1000r/min，球磨时间为6-8h。

15、进一步地，第五步中球磨的转速为100-200r/min，球磨的时间为4h。

16、进一步地，第六步中真空热压烧结的温度条件为550-600℃，到达预定温度后的保温时间为3-4h。

17、进一步地，第六步中热压烧结的升温速率为7-10℃/min。

18、进一步地，第六步中热压烧结的压力范围为60-75mpa。

19、进一步地，改性碳纤维、碳化硅、铝合金粉末的质量份数比为4-15份:1-20份:65-95份。

20、本发明的有益效果：

21、1）本发明以高能球磨和真空热压烧结制备了高强度铝基复合材料，本发明的制备方法中先通过改性碳纤维与碳化硅高能球磨结合，得到碳纤维基碳化硅复合增强材料，再使复合材料与铝合金粉末均匀混合后真空热压烧结制备得到高强度铝基复合材料；碳化硅在与有机硅改性后改性碳纤维复合后，提高了增强相与铝基体的结合度，最终制得的高强度铝基复合材料均匀可控，结合紧密，内部缺陷少。

22、2）本发明以碳纤维为原料，经过一系列化学反应制得了一种改性碳纤维；本发明用丙酮对碳纤维进行处理，破坏碳纤维表面的保护层，使碳纤维的羟基在碱性条件下与环氧氯丙烷的氯原子发生反应，得到表面环氧化的碳纤维中间体1，再使中间体1的环氧基与六甲基二硅氮烷的亚氨基发生亲核加成反应得到有机硅改性的碳纤维中间体2，最后使中间体2的羟基与2-噻吩酰氯的酰基在三乙胺做缚酸剂条件下发生酯化反应得到改性碳纤维；碳纤维在经过有机硅改性后，表面的亲无机结构能提升碳纤维的无机亲和性，提高与碳化硅的结合度，解决了铝基复合材料现有制备技术中存在的增强相与铝基体兼容性不好而导致的性能下降问题；此外，改性碳纤维表面带上了噻吩衍生物，这种衍生物层能够形成特定的导电通路，促进复合材料内部电子的传输，提升碳纤维的导电性，改善了铝基复合材料现有制备技术中因配方中的绝缘材料而影响铝基复合材料整体导电性的问题。

23、3）本发明的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法适配性好，可适配多种铝合金粉末，制得的铝基复合材料强度高，结合紧密，内部缺陷少，且具有良好的导电性。

技术特征：

1.高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，第一步中的氢氧化钠为物质的量浓度4mol/l的氢氧化钠水溶液，所用碳纤维、二甲亚砜、环氧氯丙烷、氢氧化钠溶液的用量比为5g:30-45ml:3-5ml:10-15ml。

3.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，第二步中所用中间体1、二氧六环、六甲基二硅氮烷的用量比为5g:20-30ml:2-3ml。

4.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，第三步中所用中间体2、三乙胺、四氢呋喃、2-噻吩乙酰氯的用量比为5g:2-3.4ml:30-45ml:3ml。

5.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，第四步中所用的钢球规格为10mm，球磨时的球料比为30:1，球磨转速为1000r/min，球磨时间为6-8h。

6.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，第五步中球磨的转速为100-200r/min，球磨的时间为4h。

7.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，第六步中真空热压烧结的温度条件为550-600℃，到达预定温度后的保温时间为3-4h。

8.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，第六步中热压烧结的升温速率为7-10℃/min。

9.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，第六步中热压烧结的压力范围为60-75mpa。

10.根据权利要求1所述的高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，其特征在于，改性碳纤维、碳化硅、铝合金粉末的质量份数比为4-15份:1-20份:65-95份。

技术总结本发明涉及高能球磨和真空热压烧结制备高强度铝基复合材料的方法，属于复合材料技术领域；本发明以改性碳纤维、碳化硅、铝合金粉末为原料，通过改性碳纤维与碳化硅高能球磨复合后得到复合增强材料，再使复合增强材料与铝合金粉末均匀混合后热压成型得到高强度铝基复合材料，本发明的制备方法可以适配多种铝基复合材料，制得的高强度铝基复合材料均匀可控，结合紧密，内部缺陷少，机械性能优秀，且具有良好的导热性能和导电性能，本发明还使用了自制的改性碳纤维，能解决铝基复合材料现有制备技术中存在的增强相与铝基体兼容性不好而导致的性能下降问题和因配方中的绝缘材料而影响铝基复合材料整体导电性的问题。技术研发人员：蒋志勇,夏仁福,孙恒福受保护的技术使用者：扬州扬诚铝业有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2