專利名稱:一種纖維復合材料及其制備方法
技術領域:
本發明涉及一種纖維復合材料及其冷軋復復合生產工藝。
技術背景復合材料是指由兩種或更多種物理和化學本質不同的物質人工制成 的一種多相固體材料,其最大優越性是它的性能比其組成材料優異,可改 善或克服組成材料的弱點并充分發揮它們的優點,也可創造單一材料不易 具備的性能。復合材料為多相體系, 一般分為兩類, 一類為基體,起粘結劑作用;另一類為增強相,起提高強度(或韌性)的作用。復合材料可由兩種或更多種物質來制備,按照增強相的性質和形態可 分為細粒復合材料(增強相為細粒)、纖維復合材料(增強相為纖維)。 對于細粒復合材料,承受載荷的主要是基體,增強效果主要取決于細 粒直徑,只有在細粒直徑為0.01 0.10Mm時才有一定增強效果,否則反而 會降低材料原有性能,實際加工控制存在較大難度,不能較好推廣。對于纖維復合材料,包括連續纖維復合材料和短切纖維復合材料,承 受載荷的主要是增強相纖維。根據現有資料介紹,纖維的長度對增強效果 很有利,因此連續纖維的增強效果明顯強于短切纖維,其應用也更廣泛。 目前有應用的連續纖維有連續金屬纖維、連續玻璃纖維、連續碳纖維等。 但由于后兩者的制備十分煩瑣,所以實際生產、應用中更傾向采用連續金 屬纖維作為增強相來生產復合材料。目前對于連續金屬纖維復合材料,研究較多的是增強相為鴒、鉬絲; 基體為鎳合金和鈦合金。采用上述基體和增強相制備的連續金屬纖維復合 材料,具有較高強度、好的塑性和韌性,且易于制造。能用于使用要求較 高的機器構件,如渦輪葉片等;甚至可制作航空、航天器用如飛機的結構 件。更可滿足一般的運輸、建筑和裝飾行業用的結構件要求。但對于后者,
其最大缺點顯然是大材小用成本高,不宜推廣應用。因而尋找一種低成本、 能滿足上述一般結構件使用要求的連續金屬纖維材料進行替代,是十分有 意義的。通過檢索國內外專利數據庫,共檢索到國內外專利文獻58篇。其中,最相關的專利文獻有2篇(一種金屬基復合材料的制備工藝,CN1586771; 金屬復合板,CN200420050714.5 )。從發明內容來看,"一種金屬基復合 材料的制備工藝"(CN158677 )在兩個方面仍有不足之處(1 )該文獻 對組元材料無明確界定;增強材料的形態和添加方式也完全不同;實際上 難以保證復合材料的性能。(2)熱處理工藝相差極大。這同樣不利于優 化所述復合材料的性能。在文獻"金屬復合板"(CN200420050714.5 )中, 公開了組元材料界定為純鋁或鋁合金、不銹鋼板或純銅板或冷軋鋼板,加 工方式為加熱壓合而制備復合材料的方法。目前還未見采用鋁作為基體、不銹鋼絲作為增強相的連續金屬纖維復 合材料的相關介紹,因該技術方案中存在以下技術難點1、 必須保證連續纖維與基體間的結合強度,以保證復合材料的強度, 更重要的是便于將基體所受的載荷傳遞給連續纖維,以充分發揮其增強作 用。2、 必須使連續纖維有合理的含量、尺寸和分布,以獲得一定的纖維 體積百分比,增強強化效果。3、 需確定冷軋復合生產的工藝參數。4、 需確定相應燒結(擴散熱處理)制度。發明內容基于上述背景技術內容而提出本發明。本發明提供一種冷軋復合生產 纖維復合材料的方法,以獲得一種連續金屬纖維復合材料。相比于基體材 料,該復合材料能提高抗拉強度,改善基體材料抗拉強度低的弱點,同時 能保持基體材料比重輕的優點,也能明顯降低成本,具備較好的研究和應 用前景。本發明一個目的在于提供所述的連續金屬纖維復合材料的組成以及 結構。該復合材料通過選取合適的基體和增強相,采用一種新型的生產方
法加工而成。其基體材料采用鋁帶,增強相為網狀不銹鋼絲,并采用冷軋 復合法進行生產加工,即在室溫條件下將兩層或多層鋁帶和一層或多層網 狀不銹鋼絲重疊后通過大壓下量、 一道次軋制成連續金屬纖維復合材料。 相比于基體材料,該復合材料能明顯提高抗拉強度,改善基體材料抗拉強 度低的弱點,同時能保持基體材料比重輕的優點;適宜制作上述的一般結 構件,能明顯降低成本,具備較好的研究和應用前景。具體地,該復合材料中包括基體,該基體為純鋁帶,其規格通常是1.0 2.0mm;增強相,該增強相為網狀不銹鋼絲,其中絲的直徑可選擇,為 0.1 0.2mm,分別形成250目 60目的不4秀鋼絲網)。上述構成的設計方案中,增強相為網狀不銹鋼絲可直接使用。理論上, 不銹鋼絲和所述鋁帶進行復合時,采用沿鋁帶方向的純縱向鋼絲與鋁帶進 行復合的效果最好。但是考慮到可操作性(因純縱向的鋼絲不易設置為易 于軋制的形式),通常使用網狀的不銹鋼絲和所述鋁帶進行復合。不銹鋼絲的直徑和最終軋制形成的金屬纖維尺寸有關,不同的鋼絲直 徑可以形成不同的金屬纖維尺寸,其對成品復合材料具有不同的增強效 果。 一般而言,鋼絲直徑越小,則形成的金屬纖維尺寸也越小,可以得到 的增強效果越好。本發明還有一個目的在于提供這種連續金屬纖維復合材料的制備方 法,優選地,在進行本發明的復合材料軋制之前,可以對作為基體的帶材 進行預處理的過程純鋁帶—冷軋—熱處理—表面預處理(砂帶表面砂光、 活化)。通過這樣的方式改善最終的復合材料產品中層與層之間的結合牢固度。具體地,該續金屬纖維復合材料的生產方案包括1、 選材基體為1.0 2.0mm純鋁帶;增強相為網狀不銹鋼絲(絲的直 徑可選擇,為0.1 0.2mm,分別形成250目~60目的不銹鋼絲網)。增強相 網狀不銹鋼絲可直接使用。2、 基體帶材的制備1.0 2.0mm純鋁帶—冷軋—熱處理—表面預處理 (該步驟為優選的處理步驟)3、 固相冷軋復合生產工藝基體(純鋁帶增強相(網狀不銹鋼絲)固相冷軋復合軋制—燒結(擴散熱處理)-冷軋形成復合層結構的步驟采用的軋制方式是固相冷軋復合法采用專用 的固相復合冷軋機將兩層或多層鋁帶和一層或多層網狀不銹鋼絲重疊后 通過大壓下量、 一道次軋制成連續金屬纖維復合材料,所述的兩層或多層 鋁帶和一層或多層網狀不銹鋼絲交錯地進行重疊,例如,兩層鋁帶之間為 一層網狀不銹鋼絲;或者多層鋁帶之間,均分別具有至少一層網狀不銹鋼 絲。此外,該冷軋過程對于溫度沒有特別的要求,例如,可以在室溫條件 下進行。通過選擇不同目數和數量的網狀不銹鋼絲,可使復合材料獲得不 同的纖維體積百分比和強度。為了保證復合材料的性能,所述冷軋復合軋制法必須根據下表l對所 列出的關鍵工藝參數加以控制 表l控制參數參數特性值控制原理軋制速度0.3 0.6,米/分鐘穩定軋制,保證結合強度潤滑采用潤滑油,例 如菜油能保證室溫下大壓下量軋制 要求軋制變形 率40 60%能保證結合強度為了使軋制后的復合材料的層與層之間結合牢固,需要對其進行擴散熱處理,對軋制后的復合材料進行燒結(即擴散熱處理)的技術參數如下 采用光亮連續熱處理爐,熱處理工藝溫度350 45(TC,走帶速度2 4 米/分鐘。最后可進行冷軋步驟,采用普通冷軋機將復合、燒結后的材料軋制為 所需厚度規格及一定強度的產品。在該冷軋過程中可進行多次中間熱處 理。例如,以上述的熱處理工藝進行處理。本發明的有益效果包括1、 利用本發明生產出一種連續金屬纖維復合材料,相比于基體材料, 該復合材料能明顯提高抗拉強度,改善基體材料抗拉強度低的弱點,同時 能保持基體材料比重輕的優點,也能明顯降低成本,具備較好的研究和應用前景。2、 本發明所提供的生產方法簡易、便于實施和控制,且具備良好可 操作性。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步闡述,本領域技術人員應當理解, 所述實施例僅用于示例,而不對本發明構成任何限制。實施例l,0. 3、m厚度連續金屬纖維復合材料的制備,1、 選材基體為2.0mm純鋁帶;增強相為網狀不銹鋼絲(絲的直徑 為0.15mm),對應形成120目的不銹鋼絲網)。該網狀不銹鋼絲直接使用。2、 基體帶材的制備2.0mm純鋁帶—冷軋0.25mm—熱處理(釆用光 亮連續熱處理爐,熱處理工藝溫度400。C,走帶速度5米/分鐘)—表面 預處理(砂帶表面砂光、活化)3、 軋制方式是固相冷軋復合法采用專用的固相復合冷軋機在室溫 條件下將6層鋁帶和5層網狀不銹鋼絲采用三明治方式重疊后通過大壓下 量、 一道次軋制成連續金屬纖維復合材料。復合軋制前基體帶材和網狀不 銹鋼絲重疊后的厚度尺寸為2.25mm;復合軋制后的材料厚度為l.Omm;專L 制速度為0.4米/分鐘;潤滑采用菜油;軋制變形率55.6%。4、 燒結(擴散熱處理)采用光亮連續熱處理爐,熱處理工藝溫 度400'C,走帶速度3米/分鐘。5、 冷軋。實施例2,0. 6mm厚度連續金屬纖維復合材料的制備,1、 選材基體為2.0mm純鋁帶;增強相為網狀不銹鋼絲(絲的直徑為018mm),對應形成100目的不銹鋼絲網)。該網狀不銹鋼絲直接使用。2、基體帶材的制備2.0mm純鋁帶→冷軋0.30mm→熱處理(采用光亮連續熱處理爐,熱處理工藝溫度450℃,走帶速度4.5米/分鐘)→表面預處理(砂帶表面砂光、活化)3、軋制方式是固相冷軋復合法采用專用的固相復合冷軋機在室溫條件下7層鋁帶和6層網狀不銹鋼絲采用三明治方式重疊后通過大壓下量、一道次軋制成連續金屬纖維復合材料。復合軋制前基體帶材和網狀不銹鋼絲重疊后的厚度尺寸為3.18mm;復合軋制后的材料厚度為1.4mm;軋制速度為0.3米/分鐘;潤滑采用菜油;軋制變形率55.9%。4、燒結(擴散熱處理)采用光亮連續熱處理爐,熱處理工藝溫度400℃,走帶速度2.5米/分鐘。5、冷軋。實施例30.1mm厚度連續金屬纖維復合材料的制備,1、選材基體為2.0mm純鋁帶,增強相為網狀不銹鋼絲(絲的直徑為0.10mm)對應形成250目的不銹鋼絲網)。該網狀不銹鋼絲直接使用。2、基體帶材的制備2.0mm純鋁帶→冷軋0.20mm→熱處理(采用光亮連續熱處理爐,熱處理工藝溫度400℃,走帶速度6米/分鐘)→表面預處理(砂帶表面砂光、活化)3、軋制方式是固相冷軋復合法采用專用的固相復合冷軋機在室溫條件下6層鋁帶和5層網狀不銹鋼絲采用三明治方式重疊后通過大壓下量、一道次軋制成連續金屬纖維復合材料。復合軋制前基體帶材和網狀不銹鋼絲重疊后的厚度尺寸為1.70mm;復合軋制后的材料厚度為0.75mm;軋制速度為0.45米/分鐘;潤滑采用菜油;軋制變形率55.8%。4、燒結(擴散熱處理)采用光亮連續熱處理爐,熱處理工藝溫度400℃,走帶速度4米/分鐘。5、冷軋。
權利要求
1、一種纖維復合材料,其特征在于,該復合材料中包括由鋁構成的基體;以及由不銹鋼絲構成的增強相,其中,所述鋁構成的基體和所述不銹鋼絲構成的增強相通過軋制形成復合層結構。
2、 根據權利要求l所述的纖維復合材料,其特征在于,所述不銹鋼 絲為網狀不銹鋼絲。
3、 根據權利要求1或2所述的纖維復合材料,其特征在于,所述不銹 鋼絲的直徑為O.l ~0.2mm。
4、 根據權利要求1或2所述的纖維復合材料,其特征在于,所述網狀 不銹鋼絲是60目 250目的不銹鋼絲網。
5、 根據權利要求l所述纖維復合材料的制備方法,其特征在于,包 括下列步驟(1 )采用固相復合冷軋機將兩層或多層鋁帶和一層或多層網狀不銹鋼 絲重疊后軋制成復合層結構的纖維復合材料;(2) 對軋制得到的復合層結構的纖維復合材料進行擴散熱處理,使所 述復合層結構中的層與層之間牢固結合;(3) 采用冷軋機將經過上述處理后的材料軋制為預定厚度規格及強度 的產品。
6、 根據權利要求5所述的制備方法,其特征在于,在所述步驟l)之 前,包括下列預處理步驟-將作為基體的鋁帶經過冷軋,熱處理工藝處理,以及表面預處理。
7、 根據權利要求6所述的制備方法,其特征在于,所述預處理步驟為冷專L0.2 0.3mm;在350 450。C,走帶速度4 6米/分鐘下進行所述熱處理工藝;和 以砂帶表面砂光、活化進行所述的表面預處理。
8、 根據權利要求5-7中任意一項所述的制備方法,其特征在于,所述 步驟l)中,控制所述固相復合冷軋機的軋制速度為0.3~0.6米/分鐘,并 采用潤滑油進行軋制,同時控制變形率為40~60%。
9、 根據權利要求5-7中任意一項所述的制備方法,其特征在于,所述 步驟2)中,擴散熱處理在光亮連續熱處理爐中進行,其處理溫度控制在 350~450°C,走帶速度控制在2~4米/分鐘。
10、 根據權利要求5 7中任意一項所述的制備方法,其特征在于, 所述步驟3 )中的冷軋過程還包含多次中間熱處理的過程。
全文摘要
本發明提供一種連續金屬纖維復合材料及其制備方法,該復合材料的基體材料采用鋁,增強相為網狀不銹鋼絲,并采用冷軋復合法進行生產加工,即在室溫條件下將兩層或多層鋁帶和一層或多層網狀不銹鋼絲重疊后通過大壓下量、一道次軋制成連續金屬纖維復合材料。相比于基體材料,該復合材料能明顯提高抗拉強度,改善基體材料抗拉強度低的弱點,同時能保持基體材料比重輕的優點。
文檔編號C22C47/00GK101397645SQ200710046710
公開日2009年4月1日 申請日期2007年9月29日 優先權日2007年9月29日
發明者郭南翔, 黃慶華 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司