本發(fā)明涉及一種表面改性sic連續(xù)纖維材料，具體涉及一種含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維，以及通過磁控濺射方法在sic連續(xù)纖維材料制備al/cu雙涂層的方法，和含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維在增強(qiáng)al基復(fù)合材料中的應(yīng)用，屬于鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于具有高的比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)良的抗疲勞性、耐高溫性和尺寸穩(wěn)定性等性能，在航空航天、汽車、兵器、電子等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前應(yīng)用的增強(qiáng)纖維主要有碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等。其中，硼纖維具有彈性模量高、與鋁基體之間的潤(rùn)濕性較好且反應(yīng)性較低等特點(diǎn)，但硼纖維因其直徑較大(大于100μm)無法進(jìn)行編織同時(shí)制造成本高昂從而限制了其應(yīng)用。碳纖維具有較高的比強(qiáng)度和比模量，在樹脂基復(fù)合材料中已獲得廣泛應(yīng)用，但由于碳纖維與液態(tài)鋁的浸潤(rùn)性差，高溫下又容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重制約了復(fù)合材料的力學(xué)性能。氧化鋁纖維與鋁基體之間雖具有良好的化學(xué)相容性，但由于連續(xù)纖維獲得困難，多是以短纖維形式應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料中。與碳纖維以及其它氧化物無機(jī)纖維相比，sic纖維不僅同樣具有良好的機(jī)械性能，而且還同時(shí)兼具耐高溫、抗高溫氧化、抗蠕變、耐腐蝕，以及優(yōu)異的隱身特性，更重要的是它與金屬基體如鋁合金在較高溫度下具有良好的相容性，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-防熱、隱身等多功能于一身，是高性能鋁基復(fù)合材料的一種較為理想的增強(qiáng)體。

對(duì)于sic連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，熔融狀態(tài)下鋁合金對(duì)sic纖維基體的良好潤(rùn)濕是實(shí)現(xiàn)兩者之間良好界面結(jié)合進(jìn)而獲得具有優(yōu)異性能復(fù)合材料的前提。目前，選擇合適的涂層方法和涂層材料對(duì)連續(xù)纖維進(jìn)行涂層處理是改善纖維與基體之間界面結(jié)合的重要技術(shù)途徑。

對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行的檢索發(fā)現(xiàn)：對(duì)連續(xù)碳化硅纖維的涂層方法主要是采用液相法，如申請(qǐng)?zhí)枮?01510555084.x，201510555078.4以及201510555077.x的專利等，采用液相法在碳化硅纖維上制備氧化物涂層，提高碳化硅纖維的耐高溫性和抗氧化性。然而，采用液相法制備的涂層結(jié)構(gòu)通常不夠致密，缺陷較多，涂層與纖維的結(jié)合相對(duì)較差，同時(shí)纖維涂層后通常會(huì)伴隨較大程度的強(qiáng)度損失。相比較而言，磁控濺射法作為一種新型涂層技術(shù)，由于通常是在高真空的工作環(huán)境下，用于纖維涂層時(shí)，具有涂層純度高，纖維強(qiáng)度損失小，同時(shí)可選擇涂層材料種類多，涂層與基體結(jié)合好等優(yōu)點(diǎn)。如申請(qǐng)?zhí)枮?01110003731.8，200810011416.8以及200810010286.6的專利等，在粗絲sic纖維(直徑通常大于100μm)表面制備致密均勻的涂層阻止碳化硅纖維與鈦基體間的界面反應(yīng)程度，制備出強(qiáng)度較高且sic纖維與鈦合金基體界面性能穩(wěn)定的復(fù)合材料。但目前還未發(fā)現(xiàn)有采用磁控濺射技術(shù)在細(xì)絲sic連續(xù)纖維(直徑10～15μm)上進(jìn)行涂層的相關(guān)報(bào)道。

另外，目前有關(guān)sic陶瓷相(顆粒、纖維、晶須)增強(qiáng)al基復(fù)合材料的研究多集中在sic顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料，如：申請(qǐng)?zhí)枮閏n201610877356.2、cn201410770758.3以及cn201610821138.7的專利等。

申請(qǐng)?zhí)枮閏n200710012877.2的專利涉及一種制備sic纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的近熔態(tài)擴(kuò)散工藝，其工藝可改善sic纖維/鋁基復(fù)合材料的界面狀態(tài)，并提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，但其所用sic纖維為含w芯粗直徑sic纖維，因其直徑大于100μm，無法進(jìn)行編織，只能進(jìn)行單向增強(qiáng)，致使增強(qiáng)效果有限。

申請(qǐng)?zhí)枮閏n201510194003.8的專利采用改進(jìn)的擠壓鑄造法制備單向連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，通過延長(zhǎng)保壓時(shí)間和降低冷卻速率提高碳纖維和鋁合金基體之間界面結(jié)合。由于該方法采用的是碳纖維，其高溫下熔融態(tài)的鋁合金基體與碳纖維之間的嚴(yán)重界面反應(yīng)是該類復(fù)合材料要重點(diǎn)解決的問題。

通過專利檢索發(fā)現(xiàn)，對(duì)sic陶瓷相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究多集中在對(duì)sic顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研制上，而對(duì)具有能編織、增強(qiáng)效果更好且易于規(guī)?；a(chǎn)的細(xì)絲sic連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料尚未有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中sic連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(sicf/al)的制備技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是在于提供一種致密、均勻，能有效改善sic連續(xù)纖維與金屬基體材料之間界面穩(wěn)定性能的sic連續(xù)纖維材料。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是在于提供一種流程短、操作簡(jiǎn)單、成本低的制備所述含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維的方法，該方法通過磁控濺射在sic連續(xù)纖維表面制備均勻、致密的al/cu雙涂層，大大提高制備金屬涂層的效率。

本發(fā)明的第三個(gè)目的是在于提供一種所述含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維在制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料中的應(yīng)用，制備的復(fù)合材料具備組織致密的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部疏松、縮孔等鑄造缺陷少，常溫力學(xué)性能相較于基體有明顯提高。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維，其由sic連續(xù)纖維及其表面的鋁銅復(fù)合雙涂層構(gòu)成；所述鋁銅復(fù)合雙涂層由鋁底層和銅表層構(gòu)成。

本發(fā)明的技術(shù)方案在sic連續(xù)纖維表面先生成一層al涂層，通過高能量濺射al粒子的直接撞擊可以實(shí)現(xiàn)al對(duì)sic纖維的“潤(rùn)濕”，但是鋁或鋁合金在大氣環(huán)境下其表面會(huì)形成致密的固態(tài)al2o3氧化膜，這一固態(tài)的氧化膜熔點(diǎn)高達(dá)2050℃的，化學(xué)穩(wěn)定性極高，為避免這一氧化膜對(duì)鋁合金基體和sic連續(xù)纖維之間界面結(jié)合的影響，在sic連續(xù)纖維表面生成鋁涂層后再生成一層銅涂層，銅涂層不但能夠有效抑制sic連續(xù)纖維上al涂層表面al2o3氧化膜的形成，而且銅與al之間能夠形成共晶合金，從而有利于后續(xù)采用sic連續(xù)纖維制備sicf/al基復(fù)合材料時(shí)，改善鋁合金基體與sic連續(xù)纖維之間的界面結(jié)合，進(jìn)而獲得高性能sicf/al基復(fù)合材料。

優(yōu)選的方案，所述sic連續(xù)纖維的直徑10～15μm。

較優(yōu)選的方案，所述鋁底層的厚度為100～2000nm，所述銅表層的厚度為10～500nm。涂層厚度太薄會(huì)影響涂層的均勻性，起不到良好的潤(rùn)濕效果，涂層厚度太厚會(huì)影響纖維的編織性能，對(duì)其應(yīng)用造成很大限制。

進(jìn)一步優(yōu)選的方案，所述鋁底層和銅表層的總厚度為110～2500nm。

本發(fā)明還提供了一種所述的含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維的制備方法，將sic連續(xù)纖維置于空氣環(huán)境中，于400～700℃熱處理后，在其表面通過磁控濺射方法依次沉積鋁底層和銅表層，即得。

本發(fā)明的技術(shù)方案通過對(duì)sic連續(xù)纖維進(jìn)行高溫處理，能有效改善磁控濺射法在sic纖維表面的成膜能力。sic連續(xù)纖維通過高溫處理，能將其表面的有機(jī)成分碳化脫除，能提高生成的鋁金屬膜與sic連續(xù)纖維表面之間的結(jié)合能力，改善金屬膜層的致密性，能獲得均勻性好、致密及結(jié)合性好的涂層，并且可以避免在復(fù)合材料制備過程中有機(jī)膠層在高溫下碳化與al發(fā)生嚴(yán)重界面反應(yīng)，影響復(fù)合材料的性能。

優(yōu)選的方案，通過磁控濺射方法制備鋁底層的條件：采用鋁靶濺射，濺射氣體為ar，工作氣壓為0.1～0.5pa，靶材電源為直流電源，功率為100～5000w，濺射時(shí)間為10～200min。

優(yōu)選的方案，通過磁控濺射方法制備銅表層的條件：采用銅靶濺射，濺射氣體為ar，工作氣壓為0.1～0.5pa，靶材電源為直流電源，功率為100～5000w，濺射時(shí)間為10～200min。

本發(fā)明還提供了一種含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維的應(yīng)用，將其應(yīng)用于制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料。

優(yōu)選的方案，以含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維與基體合金為原料，通過真空壓力浸漬法制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料。

本發(fā)明通過真空壓力浸漬法制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：

1)將鋁或鋁合金基體加熱至650～750℃熔融；

2)將sic連續(xù)纖維預(yù)制體，置于模具中，預(yù)熱至500～700℃，并對(duì)所述模具抽真空；

3)將熔融的鋁或鋁合金溶液壓入所述模具中，保溫10～60min，冷卻，即得。

具體的真空壓力浸漬法制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料的方法如下：將基體合金放入坩堝中并在電阻爐中進(jìn)行熔煉，達(dá)到浸滲溫度650～750℃以后，啟動(dòng)加熱裝置對(duì)纖維預(yù)制體進(jìn)行加熱，，同時(shí)啟動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)設(shè)備以及模具內(nèi)進(jìn)行抽真空，30～100min后，暫停抽真空，往罐中充入氬氣，循環(huán)抽真空充氬氣；在纖維預(yù)熱溫度達(dá)到預(yù)定溫度500～700℃時(shí)，停止抽真空，此時(shí)鋁液對(duì)模具下端進(jìn)行液封，模具上端呈現(xiàn)真空狀態(tài)，在4～8mpa壓力下將熔融金屬基體壓入滲透到sic連續(xù)纖維預(yù)制體中，保溫10～60min，然后經(jīng)室溫冷卻最終制得sic連續(xù)纖維增強(qiáng)的al基復(fù)合材料。

相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果：

1)本發(fā)明的含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維，al/cu雙涂層sic連續(xù)纖維的表面結(jié)合性好，且涂層致密、均勻，能有效改善sic連續(xù)纖維與金屬基體材料之間界面穩(wěn)定性能以及液態(tài)鋁基體對(duì)sic連續(xù)纖維的浸潤(rùn)性。

2)本發(fā)明的技術(shù)方案，首次采用磁控濺射技術(shù)在直徑僅不足15微米的細(xì)絲sic連續(xù)纖維上設(shè)計(jì)制備金屬涂層，制備的al/cu雙涂層與sic連續(xù)纖維表面結(jié)合性能好，且均勻、致密，磁控濺射技術(shù)操作簡(jiǎn)單，流程短，效率高，成本低，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。

3)本發(fā)明的技術(shù)方案，通過采用含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維同時(shí)結(jié)合真空壓力浸漬法，制備出疏松、縮孔等鑄造缺陷少，組織致密的sic連續(xù)纖維增強(qiáng)的al基復(fù)合材料，該復(fù)合材料常溫力學(xué)性能相較于基體有很大提高，對(duì)比相同工藝條件的未涂層以及al單涂層的sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料常溫力學(xué)性能也有大幅度提高。

附圖說明

【圖1】為實(shí)施例1和對(duì)比實(shí)施例2制備的sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料的sem圖；(a)為實(shí)施例1；(b)為對(duì)比實(shí)施例2；

【圖2】為實(shí)施例1和對(duì)比實(shí)施例1制備的sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料sem圖；(a)為實(shí)施例1；(b)為對(duì)比實(shí)施例1。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例旨在進(jìn)一步說明本發(fā)明內(nèi)容而不是限制本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

實(shí)施例1為一種含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料，纖維經(jīng)磁控濺射進(jìn)行涂層，工作溫度270℃，濺射氣體為ar，工作氣壓為0.3pa，al靶濺射功率950w，沉積時(shí)間為100min，涂層厚度為500nm左右，cu靶濺射功率900w，沉積時(shí)間為10min，涂層厚度為50nm左右，沉積總時(shí)間為120min，總涂層厚度為550nm左右。預(yù)制體纖維層數(shù)為10層，然后通過真空壓力浸漬法制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)的al基復(fù)合材料，其中，基體為zl102，纖維預(yù)熱溫度650℃，浸滲溫度700℃，保溫20min，式樣拉伸強(qiáng)度為476.60mpa。

實(shí)施例2

實(shí)施例2為一種含al/cu雙涂層的sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料，纖維經(jīng)磁控濺射進(jìn)行涂層，工作溫度270℃，濺射氣體為ar，工作氣壓為0.3pa，al靶濺射功率950w，沉積時(shí)間為160min，涂層厚度為800nm左右，cu靶濺射功率900w，沉積時(shí)間為20min，涂層厚度為100nm左右，沉積總時(shí)間為180min，總涂層厚度為900nm左右。預(yù)制體纖維層數(shù)為10層，然后通過真空壓力浸漬法制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)的al基復(fù)合材料，其中，基體為zl102，纖維預(yù)熱溫度650℃，浸滲溫度700℃，保溫20min，式樣拉伸強(qiáng)度為482.89mpa。

對(duì)比實(shí)施例1

對(duì)比實(shí)施例1為一種al單涂層sic連續(xù)纖維增強(qiáng)的al基復(fù)合材料，纖維經(jīng)磁控濺射進(jìn)行涂層，工作溫度270℃，濺射氣體為ar，工作氣壓為0.3pa，al靶濺射功率950w，沉積時(shí)間為120min，涂層厚度為550nm左右。預(yù)制體纖維層數(shù)為10層，然后通過真空壓力浸漬法制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)的al基復(fù)合材料，其中，基體為zl102，纖維預(yù)熱溫度650℃，浸滲溫度700℃，保溫20min，式樣拉伸強(qiáng)度為396.08mpa。

對(duì)比實(shí)施例2

對(duì)比實(shí)施例2為未經(jīng)涂層處理的sic連續(xù)纖維制備的預(yù)制體，纖維層數(shù)為10層，用相同的工藝及工藝參數(shù)通過真空壓力浸漬法制備sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料，基體為zl102，纖維預(yù)熱溫度650℃，浸滲溫度700℃，保溫20min，式樣拉伸強(qiáng)度為290.94mpa。

對(duì)比實(shí)施例3

對(duì)比實(shí)施例3為沒有在于sic連續(xù)纖維的空白對(duì)照，用相同的工藝及工藝參數(shù)通過真空壓力浸漬法制備的zl102的式樣，纖維預(yù)熱溫度650℃，浸滲溫度700℃，保溫20min。式樣拉伸強(qiáng)度為128.21mpa。

表1：實(shí)施例為本發(fā)明涂層sic連續(xù)纖維增強(qiáng)al基復(fù)合材料和未涂層以及空白試樣的拉伸強(qiáng)度對(duì)比

由表1可以看出，添加sic連續(xù)纖維的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度大幅度提高，經(jīng)al/cu雙涂層處理的sic連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度大于未經(jīng)涂層處理以及al單涂層的sic連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料?？梢娡繉犹幚碛兄诟纳茝?fù)合材料的力學(xué)性能。

實(shí)施例1和對(duì)比實(shí)施例2的sem掃描如圖1所示：

由圖1可以看出經(jīng)al/cu雙涂層處理的sic連續(xù)纖維增強(qiáng)的al基復(fù)合材料纖維與基體界面結(jié)合良好，微孔和缺陷少，可見涂層處理可以改善復(fù)合材料的界面潤(rùn)濕性。

實(shí)施例1和對(duì)比實(shí)施例1的sem掃描如圖2所示：

由圖2可以看出，al單涂層表面形成的al2o3氧化膜嚴(yán)重影響了基體al與涂層之間的結(jié)合，基體與涂層之間有明顯的界限，而al/cu雙涂層處理的sic連續(xù)纖維因cu涂層的存在有效地抑制了al涂層表面al2o3氧化膜的形成，并且與al形成共晶結(jié)構(gòu)，明顯改善了基體與涂層之間的結(jié)合狀態(tài)。