一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法

15h，取出碳纤维，清水洗净后，烘干备用。
8.(2)制作成多孔的碳纤维胚体：将干燥的碳纤维短切成短纤维，再将短纤维加入到异丙醇溶液中，通过超声振荡分散15-30min，过滤得到多孔的碳纤维胚体，碳纤维胚体烘干备用。
9.(3)碳纤维胚体的布种：首先将二水合乙酸锌加入无水乙醇溶液中，其中乙酸锌的浓度为12g/l-18g/l；通过100-300转/分机械搅拌120-240min使其充分溶解，制得种子溶液，然后将碳纤维胚体置于种子溶液中，在真空瓶中抽取负压0.06mpa-0.1mpa，浸渍15-20min后取出，置于真空炉中在350-450℃条件下热解25-30min，加热结束后取出碳纤维胚体，重复进行浸渍和热解过程数次，得布种的碳纤维胚体。
10.(4)布种的碳纤维胚体表面生长纳米棒状zno：首先制备生长液，将六亚甲基四胺和硝酸锌加入到水溶液中充分搅拌使其溶解，其中六亚甲基四胺的浓度为6-10g/l，硝酸锌浓度为10-15g/l；然后将经过布种后的碳纤维胚体放入生长液中，水浴后取出胚体，清水洗净后烘干备用。
11.(5)制备碳纤维增强铝基复合材料：生长有纳米棒状结构zno的多孔碳纤维胚体放入石墨坩埚中，并在胚体上方放入铝块，其中胚体与铝块的体积比为1:1，将坩埚放入真空加热炉中，在900-1100℃加热10-30min，待炉腔冷却，制得碳纤维增强铝基复合材料。
12.进一步，上述步骤(1)中碳纤维在丙酮溶液和硝酸溶液中的体积比为2:5。
13.进一步，上述步骤(2)中碳纤维的长度为2-6mm。
14.进一步，上述步骤(3)浸渗热解过程重复次数为2-6次。
15.进一步，上述步骤(4)水浴锅中水浴温度为50-90℃，加热3-8h。
16.进一步，上述步骤(4)的洗净为冲洗干净。
17.进一步，上述步骤(5)所用铝块为铝-镁合金或者铝-硅合金。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
19.1、本发明制备的碳纤维增强铝基复合材料兼并了碳纤维以及其界面层zno的优良性能，经检测，其密度为2.46g/cm3；抗拉强度为196mpa；弹性模量为154gpa；25-300℃阻尼平均值为26.4
×
10-3，
具有低密、高强和高刚度，同时具有优良的阻尼吸振性能。
20.2、本发明的制备方法，是将纳米棒状结构的zno生长在碳纤维表面，从而制备出碳纤维增强铝基复合材料，zno是一种半导体材料，自然状态下其晶体结构为六方纤锌矿结构，c轴方向呈现出非对称的特点，这使zno具有独特的压电性质。通过本发明的具体工艺过程生长的纳米棒状zno能与铝基体形成牢固的结合，在复合材料发生振动变形时产生压电效果，能够将振动机械能转化为电能，电能在复合材料中会转换成为焦耳热消耗掉，实现机械能-电能-热能的转变，从而消耗振动能量，提高吸能减振作用。同时，本发明制备过程中先采用二水合乙酸锌进行布种，再采用六亚甲基四胺和硝酸锌生长出zno纳米棒状结构，这种结构能在复合材料界面处形成钉扎效应从而提高复合材料的界面结合强度，能够将载荷有效的传递到碳纤维增强体上，增加碳纤维的承载能力，从而提高了碳纤维增强铝基复合材料的强度和刚度等力学性能。
附图说明
21.图1为实施例中获得的碳纤维表面纳米棒状结构zno的扫描电子显微镜图；
22.图2为实施例中获得的具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的宏观照片。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
24.实施例1，本发明提供的一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：
25.步骤1，对碳纤维表面进行除胶和氧化处理：首先将碳纤维放入物质量浓度为13.5mol/l的丙酮溶液中浸泡24h，以去除碳纤维表面胶体，然后使用清水将碳纤维清洗干净，再放入物质量浓度为8mol/l的硝酸溶液中，氧化处理12h，以增加碳纤维表面含氧官能团，其中碳纤维在丙酮溶液和硝酸溶液中的体积比为2:5，最后取出碳纤维，用清水清洗干净后烘干备用。
26.步骤2，制备多孔的碳纤维胚体：首先将步骤1处理好的碳纤维短切成4mm长的短纤维，再将短纤维加入到异丙醇溶液中，碳纤维与异丙醇体积比为1:50，通过超声振荡分散20min，使碳纤维均匀分散，最后将分散好的碳纤维倒入抽滤装置中，抽滤掉多余的异丙醇溶液，得到多孔的碳纤维胚体，并将胚体烘干备用。
27.步骤3，在胚体的碳纤维表面布上生长纳米棒状结构zno的种子：首先将二水合乙酸锌加入无水乙醇溶液中，其中乙酸锌的浓度为16g/l；通过200转/分机械搅拌200min使其充分溶解，制得种子溶液，然后将多孔碳纤维胚体置于种子溶液中，并在真空瓶中抽取负压0.08mpa使胚体充分浸渍溶液，浸渍18min后将胚体取出，最后置于真空炉中在400℃条件下加热28min，加热结束后取出胚体，再重复进行浸渍和热解4次。
28.步骤4，在步骤3布种的碳纤维表面水热生长纳米棒状结构的zno：首先将六亚甲基四胺和硝酸锌加入到水溶液中充分搅拌使其溶解，制备生长液，其中六亚甲基四胺的浓度为8g/l；硝酸锌浓度为13g/l；然后将经过布种后的碳纤维胚体放入生长液中，并于水浴锅中70℃水浴加热6h，使其反应生长纳米棒状zno，最后等反应结束后取出胚体，并用清水冲洗干净后烘干备用。
29.步骤5，制备碳纤维增强铝基复合材料：将步骤4生长有纳米棒状结构zno的多孔碳纤维胚体放入石墨坩埚中，并在胚体上方放入铝-硅10合金，其中胚体与铝块的体积比为1:1，将坩埚放入真空加热炉中，在1000℃加热20min，使铝液充分浸渗到胚体中，随后待炉腔冷却后拿出制备好的碳纤维增强铝基复合材料。
30.实施例2
31.步骤1，对碳纤维表面进行除胶和氧化处理：首先将碳纤维放入物质量浓度为13.5mol/l的丙酮溶液中浸泡24h，以去除碳纤维表面胶体，然后使用清水将碳纤维清洗干净，再放入物质量浓度为8mol/l的硝酸溶液中，氧化处理15h，以增加碳纤维表面含氧官能团，其中碳纤维在丙酮溶液和硝酸溶液中的体积比为2:5，最后取出碳纤维，用清水清洗干净后烘干备用。
32.步骤2，制备多孔的碳纤维胚体：首先将步骤1处理好的碳纤维短切成2mm长的短纤维，再将短纤维加入到异丙醇溶液中，碳纤维与异丙醇体积比为1:50，通过超声振荡分散15min，使碳纤维均匀分散，最后将分散好的碳纤维倒入抽滤装置中，抽滤掉多余的异丙醇
溶液，得到多孔的碳纤维胚体，并将胚体烘干备用。
33.步骤3，在胚体的碳纤维表面布上生长纳米棒状结构zno的种子：首先将二水合乙酸锌加入无水乙醇溶液中，其中乙酸锌的浓度为12g/l；通过100转/分机械搅拌120min使其充分溶解，制得种子溶液，然后将多孔碳纤维胚体置于种子溶液中，并在真空瓶中抽取负压0.1mpa使胚体充分浸渍溶液，浸渍20min后将胚体取出，最后置于真空炉中在450℃条件下加热25min，加热结束后取出胚体，再重复进行浸渍和热解6次。
34.步骤4，在步骤3布种的碳纤维表面水热生长纳米棒状结构的zno：首先将六亚甲基四胺和硝酸锌加入到水溶液中充分搅拌使其溶解，制备生长液，其中六亚甲基四胺的浓度为6g/l；硝酸锌浓度为10g/l；然后将经过布种后的碳纤维胚体放入生长液中，并于水浴锅中50℃水浴加热8h，使其反应生长纳米棒状zno，最后等反应结束后取出胚体，并用清水冲洗干净后烘干备用。
35.步骤5，制备碳纤维增强铝基复合材料：将步骤4生长有纳米棒状结构zno的多孔碳纤维胚体放入石墨坩埚中，并在胚体上方放入铝-硅10合金，其中胚体与铝块的体积比为1:1，将坩埚放入真空加热炉中，在900℃加热30min，使铝液充分浸渗到胚体中，随后待炉腔冷却后拿出制备好的碳纤维增强铝基复合材料。
36.实施例3
37.步骤1，对碳纤维表面进行除胶和氧化处理：首先将碳纤维放入物质量浓度为13.5mol/l的丙酮溶液中浸泡20h，以去除碳纤维表面胶体，然后使用清水将碳纤维清洗干净，再放入物质量浓度为8mol/l的硝酸溶液中，氧化处理10h，以增加碳纤维表面含氧官能团，其中碳纤维在丙酮溶液和硝酸溶液中的体积比为2:5，最后取出碳纤维，用清水清洗干净后烘干备用。
38.步骤2，制备多孔的碳纤维胚体：首先将步骤1处理好的碳纤维短切成6mm长的短纤维，再将短纤维加入到异丙醇溶液中，碳纤维与异丙醇体积比为1:50，通过超声振荡分散30min，使碳纤维均匀分散，最后将分散好的碳纤维倒入抽滤装置中，抽滤掉多余的异丙醇溶液，得到多孔的碳纤维胚体，并将胚体烘干备用。
39.步骤3，在胚体的碳纤维表面布上生长纳米棒状结构zno的种子：首先将二水合乙酸锌加入无水乙醇溶液中，其中乙酸锌的浓度为18g/l；通过300转/分机械搅拌240min使其充分溶解，制得种子溶液，然后将多孔碳纤维胚体置于种子溶液中，并在真空瓶中抽取负压0.06mpa使胚体充分浸渍溶液，浸渍15min后将胚体取出，最后置于真空炉中在350℃条件下加热30min，加热结束后取出胚体，再重复进行浸渍和热解2次。
40.步骤4，在步骤3布种的碳纤维表面水热生长纳米棒状结构的zno：首先将六亚甲基四胺和硝酸锌加入到水溶液中充分搅拌使其溶解，制备生长液，其中六亚甲基四胺的浓度为10g/l；硝酸锌浓度为15g/l；然后将经过布种后的碳纤维胚体放入生长液中，并于水浴锅中90℃水浴加热3h，使其反应生长纳米棒状zno，最后等反应结束后取出胚体，并用清水冲洗干净后烘干备用。
41.步骤5，制备碳纤维增强铝基复合材料：将步骤4生长有纳米棒状结构zno的多孔碳纤维胚体放入石墨坩埚中，并在胚体上方放入铝-硅10合金，其中胚体与铝块的体积比为1:1，将坩埚放入真空加热炉中，在1100℃加热10min，使铝液充分浸渗到胚体中，随后待炉腔冷却后拿出制备好的碳纤维增强铝基复合材料。
42.上述实施例1为最佳实施例。参见图1，实施例1获得的碳纤维表面生长了一层均匀的纳米棒状结构的zno。
43.参见图2，实施例1获得的具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料，复合材料结构致密。
44.对实施例1中得到的复合材料进行了测试，得到的数据为复合材料密度为2.46g/cm3；抗拉强度为196mpa；弹性模量为154gpa；25-300℃阻尼平均值为26.4
×
10-3
45.综上所述，本发明的碳纤维增强铝基复合材料具有优异的阻尼性能，同时其力学性能也未明显降低，这提高了铝基复合材料使用的安全可靠性。
46.上面结合实施例对本发明做了进一步的叙述，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）对碳纤维表面进行除胶和氧化处理：将碳纤维放入物质量浓度为13.5mol/l丙酮溶液中浸泡20-28h，清水洗净，再放入质量浓度为6-10mol/l的硝酸溶液中，氧化处理10-15h，取出碳纤维，清水洗净后，烘干备用；（2）制作成多孔的碳纤维胚体：将干燥的碳纤维短切成短纤维，再将短纤维加入到异丙醇溶液中，通过超声振荡分散15-30min，过滤得到多孔的碳纤维胚体，碳纤维胚体烘干备用；（3）碳纤维胚体的布种：首先将二水合乙酸锌加入无水乙醇溶液中，其中乙酸锌的浓度为12g/l-18g/l；通过100-300转/分机械搅拌120-240min使其充分溶解，制得种子溶液，然后将碳纤维胚体置于种子溶液中，在真空瓶中抽取负压0.06mpa-0.1mpa，浸渍15-20min后取出，置于真空炉中在350-450℃条件下热解25-30min，加热结束后取出碳纤维胚体，重复进行浸渍和热解过程数次，得布种的碳纤维胚体；（4）布种的碳纤维胚体表面生长纳米棒状zno：首先制备生长液，将六亚甲基四胺和硝酸锌加入到水溶液中充分搅拌使其溶解，其中六亚甲基四胺的浓度为6-10g/l，硝酸锌浓度为10-15g/l；然后将经过布种后的碳纤维胚体放入生长液中，水浴后取出胚体，清水洗净后烘干备用；（5）制备碳纤维增强铝基复合材料：生长有纳米棒状结构zno的多孔碳纤维胚体放入石墨坩埚中，并在胚体上方放入铝块，其中胚体与铝块的体积比为1:1，将坩埚放入真空加热炉中，在900-1100℃加热10-30min，待炉腔冷却，制得碳纤维增强铝基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中碳纤维在丙酮溶液和硝酸溶液中的体积比为2:5。3.根据权利要求1或2所述的一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中碳纤维的长度为2-6mm。4.根据权利要求3所述的一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）浸渗热解过程重复次数为2-6次。5.根据权利要求4所述的一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）水浴锅中水浴温度为50-90℃，加热3-8h。6.根据权利要求5所述的一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）的洗净为冲洗干净。7.根据权利要求6所述的一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）所用铝块为铝-镁合金或者铝-硅合金。

技术总结
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种具有压电耗能的高阻尼铝基复合材料的制备方法。所述的制备方法包括：（1）对碳纤维表面进行除胶和氧化处理；（2）将处理好的碳纤维制作成多孔的碳纤维胚体；（3）在胚体的碳纤维表面布上生长纳米棒状ZnO的种子；（4）在布种的碳纤维表面生长纳米棒状ZnO；（5）将铝合金浸渗到生长有纳米棒状结构ZnO的碳纤维胚体中。本发明制备的纳米棒状结构能够与铝基体形成牢固结合，在复合材料发生振动变形时产生压电效果，能够将振动机械能转化为电能消耗掉，从而提高复合材料的阻尼吸振性能；纳米棒状结构也能在复合材料界面处形成钉扎效应，增强复合材料的界面结合，从而提高复合材料的承载能力。力。力。


技术研发人员：吕钊钊 史文博 李远翔 刘晓 侯军 陈丽涛 冯一 侯森森
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/23