連續陶瓷纖維均布鋁帶材超聲波固結快速制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種復合材料的制備方法，具體涉及連續陶瓷纖維鋁帶材結構設計以及纖維均布預制鋁帶的超聲波固結快速制造方法。
【背景技術】
[0002]由于陶瓷纖維(A1203、SiC)的低密度高模量、高強度、耐高溫、耐腐蝕等優異性能、在輕金屬(如鋁合金、鈦合金和鎂合金等)基復合材料及其零部件中獲得了廣泛的應用，但是目前主要應用的是短纖維，而連續長纖維，特別是束絲長纖維，由于存在難以人工分散，鋪放時易折斷，在復合材料以及零部件中分布不均勻和性能不均勻等問題，影響了連續長纖維的推廣和應用。例如:由于陶瓷纖維增強金屬間化合物基復合材料具有低密度、高強度、高模量的優異性能，廣泛應用于航空航天等領域。但當利用真空燒結法制備該類復合材料時，其制備過程中存在纖維分散差、分布不均勻等問題，從而嚴重影響纖維增強金屬間化合物基層狀復合材料的性能。
[0003]近年來發展的超聲波固結成形技術是采用大功率超聲波能量，以金屬箔材作為原料，利用金屬層與層振動摩擦而產生的熱量，促進界面間金屬原子的相互擴散，實現金屬界面固態冶金結合。超聲波固結成形已發展成具有3D打印功能的增材制造技術，在金屬層狀復合材料、纖維增強復合材料、智能結構和復雜型腔零部件等制造領域獲得了廣闊的應用。該技術具有以下優點:
[0004](I)原材料是采用一定厚度的普通商用金屬帶材，如鋁帶、銅帶、鈦帶、鋼帶等，所以，原材料來源廣泛，價格低廉。
[0005](2)超聲波固結過程是固態連接成形，溫度低，一般是金屬熔點的25%?50%，因此材料內部的殘余內應力低，結構穩定性好，成形后無須進行去應力退火。
[0006](3)節省能源，所消耗的能量只有傳統成形工藝的5%左右；不產生任何焊渣、污水、有害氣體等廢物污染，因而是一種節能環保的快速成形與制造方法。
[0007](4)該技術不僅可用于金屬基復合材料和結構、金屬泡沫和金屬蜂窩夾芯結構面板的快速鋪設成形和制造，還可以通過把功能元器件植入其中，制備出智能結構和零部件。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于提供一種便于操作，成本較低，無污染的連續陶瓷纖維均布鋁帶材超聲波固結快速制造方法。
[0009]本發明的目的是這樣實現的:
[0010](I)將束狀陶瓷纖維放置于箱式電阻爐中進行保溫處理，保溫溫度為600?700°C，保溫時間為0.5h?1.5h去除束狀陶瓷纖維表面的熱分解涂層；
[0011](2)用酒精清洗束狀陶瓷纖維表面，然后用超聲波清洗機對束狀陶瓷纖維進行清洗，時間為15?20min，溫度30°C?40°C，去除剩余的涂層顆粒和雜質；
[0012](3)將清洗過的束狀陶瓷纖維烘干；
[0013](4)將厚度為0.15mm的1100鋁材切割成24mmX800mm的鋁帶，按照“鋁帶-束狀陶瓷纖維鋁帶”順序疊放，最后利用超聲波固結裝置進行固結。
[0014]所述利用超聲波固結裝置進行固結的主要工藝參數為:在常溫下，超聲波固結裝置壓頭壓力為125?150kgf，超聲波振幅為20?40 μ m，壓頭運動速度為30?50mm/s。
[0015]所述束狀陶瓷纖維為束狀SiC陶瓷纖維或束狀Al2O3陶瓷纖維。
[0016]本發明針對連續陶瓷纖維在輕金屬基復合材料與零部件難以均勻分布等問題，發明了利用超聲波固結成形技術制備陶瓷纖維均布預制鋁帶材的快速制造方法，解決了陶瓷纖維在基體中分散及均勻分布等問題，為進一步制備連續陶瓷長纖維增強輕金屬基復合材料與零部件提供高性能的陶瓷纖維均勻分布原材料。
[0017]本發明制備出纖維在基體中分散且分布均勻的纖維-金屬預制鋁帶。所制備出的預制帶中，纖維與基體緊密結合，束狀纖維分散且均勻分布于基體中，可進一步用作制備連續陶瓷纖維增強輕金屬基復合材料與零部件的原材料，且制備過程在超聲波固結裝置上室溫條件下進行，便于操作，成本較低，無污染。
[0018]本發明的創新點為:
[0019](I)本發明使用的束狀SiC陶瓷纖維，是一種由先驅體轉化法制備的高性能陶瓷纖維，每束含500根直徑約為10?15 μ m，該類纖維具有很高的比強度和比模量。Al2O3陶瓷纖維直徑約為7 μm，化學成分為Al203:72%，S1 2:28%,該類纖維具有較高的彈性模量、抗拉強度，且浸滲性好。
[0020](2)本發明采用超聲波固結制造技術，在超聲波的作用下可以使得束狀陶瓷纖維得到很好分散并且在鋁帶之間分布均勻，纖維與鋁帶結合緊密。
[0021](3)本發明可以很方便的通過改變起始金屬箔材厚度、箔材類型、陶瓷纖維種類來制備其他纖維-金屬預制帶材，為制造連續纖維增強輕金屬基復合材料與相關零部件提供高性能連續陶瓷纖維原材料。
[0022]本發明所具有的實質性特點和顯著的進步為:
[0023](I)本發明所設定的工藝參數有利于陶瓷纖維與基體的結合，并且在避免纖維受到損傷的前提下，通過超聲波振動將纖維分散、均勻分布，與直接人工鋪放陶瓷纖維制備的復合材料與零部件相比，可解決束狀連續纖維難以分散及分布不均等問題，降低纖維損傷，改善界面結合情況。
[0024](2)本發明制備的纖維-金屬預制帶，以其特殊的帶狀結構可直接用于連續纖維增強復合材料與結構的制造，通過纖維預制帶的纏繞和編制等工藝，將連續陶瓷纖維鋪放于復合材料及其零部件中，由于相關制品中的纖維分散及分布情況得到改善，可有效提高復合材料和相關零部件的機械性能。
[0025](3)束狀陶瓷纖維均布鋁帶材經過多次試驗，纖維在鋁帶之間分散效果很好、分布均勻，有效地降低了纖維損傷，鋁帶之間結合緊密，無明顯界面，纖維與鋁帶之間呈現良好的結合，界面結合情況良好。
[0026](4)本發明使用來源廣泛的商用金屬箔材(鋁箔)，復合材料制備過程中常溫、無毒、節能環保，且工藝簡單易行，成本低。
[0027](5)本發明雖然通過SiC和Al2O3纖維鋁帶材提出，但是通過改變和優化工藝參數，可以推廣應用到其他連