專利名稱：制備金屬基納米復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)原位合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備金屬基納米復(fù)合材料的新方法，特指制備金屬基納米復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)原位合成方法。
背景技術(shù)：
金屬基納米復(fù)合材料因兼有金屬和非金屬納米相而具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和物理、力學(xué)及化學(xué)性能，成為一種新興的納米復(fù)合材料和新型金屬功能材料，近年來(lái)已被越來(lái)越多的材料學(xué)家所認(rèn)識(shí)，且其應(yīng)用潛力巨大。特別是鋁基納米復(fù)合材料，由于其具有高的比強(qiáng)度、比模量，出色的抗疲勞能力，很好的耐熱性、耐摩擦性、耐腐蝕性，另外還具有特殊的電、磁等功能特性，且可用常規(guī)技術(shù)進(jìn)行二次加工，成本大幅度降低等優(yōu)點(diǎn)，因此在先進(jìn)的電子器件、航空航天器、光學(xué)器件、精密機(jī)械器件、醫(yī)療器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為近年來(lái)納米復(fù)合材料及金屬功能材料中的研究熱點(diǎn)之一，世界各國(guó)都用巨額投資進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)[2]。然而，該材料制備十分困難，到目前為止，國(guó)內(nèi)外仍然無(wú)法直接制備塊狀金屬基納米復(fù)合材料。其原因在于一方面存在納米增強(qiáng)體與金屬基之間潤(rùn)濕性差和界面反應(yīng)難以控制的問(wèn)題，另一方面無(wú)機(jī)的納米粒子容易在制備或成形過(guò)程中迅速團(tuán)聚或晶粒長(zhǎng)大，因而喪失納米效應(yīng)。
反應(yīng)合成技術(shù)(Reactive synthesis)，又稱原位合成技術(shù)(In-situ synthesis)是目前制備亞微米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的有效方法之一。其基本原理是在金屬基體中加入或通入能生成某種第二相的合金元素或化合物，在一定溫度下于金屬基體中發(fā)生原位反應(yīng)，形成原位復(fù)合材料。近年來(lái)，反應(yīng)合成技術(shù)已開(kāi)始被用于制備金屬基納米復(fù)合材料。英國(guó)科學(xué)家通過(guò)氣/液反應(yīng)快速凝固技術(shù)得到納米級(jí)AlN顆粒晶內(nèi)增強(qiáng)Al基復(fù)合材料，并研究了其形成和顆粒強(qiáng)化機(jī)制。最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究者們通過(guò)混合二組元或多組元液態(tài)金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并快速凝固，制備了納米尺寸(50nm)TiB2顆粒增強(qiáng)Cu基原位復(fù)合材料，它具有制備技術(shù)簡(jiǎn)單、納米顆粒均勻、且彌散分布于基體等優(yōu)點(diǎn)。
利用物理手段來(lái)控制和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，是科技界十分關(guān)注的研究領(lǐng)域。電、光、聲、磁四大物理因子與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系相應(yīng)地產(chǎn)生了電化學(xué)、光化學(xué)、聲化學(xué)和磁化學(xué)技術(shù)。電化學(xué)、光化學(xué)技術(shù)已獲得廣泛的工業(yè)應(yīng)用，而聲化學(xué)和磁化學(xué)技術(shù)仍在研究開(kāi)發(fā)中，其中，磁化學(xué)技術(shù)在高科技領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，是目前鮮為人知的一枝獨(dú)秀。磁化學(xué)技術(shù)(Magnetochemistry)就是在化學(xué)反應(yīng)中對(duì)特定的反應(yīng)體系施加磁場(chǎng)，以改變反應(yīng)的過(guò)程并影響反應(yīng)的產(chǎn)物。在高分子材料領(lǐng)域，磁化學(xué)技術(shù)的研究較為深入。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，在磁場(chǎng)作用下高聚物的產(chǎn)率和分子量顯著提高，并使反應(yīng)加快，性能也顯著提高。磁場(chǎng)對(duì)金屬材料也有著重要影響，最近開(kāi)發(fā)了強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)改善金屬凝固組織的新技術(shù)，研究表明強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)使鋁合金的凝固組織從粗大的樹(shù)枝晶細(xì)化為等軸晶，而且磁場(chǎng)愈強(qiáng)，細(xì)化效果愈顯著。磁場(chǎng)細(xì)化金屬凝固組織的新技術(shù)可應(yīng)用于各種金屬材料。然而，磁場(chǎng)作用于金屬熔體中化學(xué)合成復(fù)合材料，即磁化學(xué)技術(shù)在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用至今尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明開(kāi)發(fā)了制備金屬基納米復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)原位合成方法，即在磁場(chǎng)下進(jìn)行金屬熔體與金屬粉末或無(wú)機(jī)鹽的化學(xué)反應(yīng)合成，并通過(guò)快速凝固技術(shù)，進(jìn)一步控制原位合成顆粒尺寸在納米尺度，從而獲得金屬基納米復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案其特征在于主要包括反應(yīng)體系的優(yōu)化和磁化學(xué)反應(yīng)合成技術(shù)兩方面(1)反應(yīng)體系的優(yōu)化反應(yīng)體系由鋁熔體或其合金、銅熔體或其合金和含顆粒形成元素的金屬粉末或化合物粉體組成，它們可以是下列組合方案之一①Al-Zr粉-B粉；②Cu-Zr粉-B粉；③Al-Zr(CO3)2-B2O3；④Cu-ZrOCl2-B2O3；將反應(yīng)物按一定比例混合至均勻，200℃下預(yù)熱2h后留以待用；(2)磁化學(xué)反應(yīng)合成技術(shù)將復(fù)合材料基體合金如純鋁或其合金、銅或其合金在電感應(yīng)加熱裝置的陶瓷或石墨坩堝中熔化，加熱溫度為該合金熔點(diǎn)以上200～300℃，基體合金液經(jīng)精煉、靜置后，將按一定配比混合的反應(yīng)物通過(guò)導(dǎo)管加入基體熔液中，同時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣，并施加外加磁場(chǎng)，外加磁場(chǎng)包括直流磁場(chǎng)，交流磁場(chǎng)及強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)，使反應(yīng)在外加磁場(chǎng)作用下充分進(jìn)行磁化學(xué)合成，用攪拌棒進(jìn)行攪拌，直至反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)時(shí)間為30～50min，其中，磁場(chǎng)條件分別為直流磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1～0.3T；交流磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.03～0.07T，磁場(chǎng)頻率50Hz；強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)，其脈沖電流頻率為1.5～5Hz，脈沖電流密度為1000～1500A/cm2，約30s一次；在磁化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)進(jìn)行保溫，保溫溫度與反應(yīng)溫度相同，不同反應(yīng)體系，反應(yīng)溫度不同；反應(yīng)結(jié)束后，靜置10min，進(jìn)行氮?dú)獬龤饩珶?，時(shí)間為8～15min；澆入快速冷卻的水冷模中，從而制備內(nèi)生納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料塊體。
本發(fā)明是磁化學(xué)效應(yīng)應(yīng)用在熔體反應(yīng)合成技術(shù)上，生成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，使生成的顆粒細(xì)小，分布均勻，從而獲得組織穩(wěn)定且較為理想的內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，與目前的粉末冶金法和N2等離子制備納米粉作為原料、成型燒結(jié)法相比，不僅制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、且可制得尺寸較大的塊體金屬基納米復(fù)合材料。


為了對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述，結(jié)合實(shí)施例與圖簡(jiǎn)介如下圖1磁化學(xué)合成裝置示意圖；圖2金屬基納米復(fù)合材料微觀組織圖1攪拌棒 2熱電偶 3金屬熔體 4陶瓷坩堝 5強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)或交流磁場(chǎng)或直流磁場(chǎng)6電阻爐 7熱電偶 8導(dǎo)管具體實(shí)施方式
實(shí)施例1加熱電阻爐6至1000℃，使得陶瓷坩堝4中的金屬鋁熔融，熔融鋁精煉、靜置后，將占鋁液10％wt的金屬鋯粉(純度99％，平均粒度120um)和硼粉(結(jié)晶態(tài)，純度95％，粒度＜50um)按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進(jìn)行混合并攪拌均勻，然后在200℃下預(yù)熱2h后通過(guò)導(dǎo)管8加入到熔融的鋁中，同時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣，并在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.26T的直流磁場(chǎng)5作用下進(jìn)行磁化學(xué)反應(yīng)原位合成，用攪拌棒1進(jìn)行攪拌，同時(shí)進(jìn)行保溫，磁化學(xué)反應(yīng)合成30min后，靜置10min，進(jìn)行氮?dú)饩珶?min，隨后澆入快速冷卻的水冷銅模中，從而制備內(nèi)生納米ZrB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，顆粒體積分?jǐn)?shù)為6.5％。
實(shí)施例2加熱電阻爐(6)至1400℃，使得陶瓷坩堝(4)中的金屬銅熔融，熔融銅精煉、靜置后，將占銅液15％wt的金屬鋯粉(純度99％，平均粒度120um)和硼粉(結(jié)晶態(tài)，純度95％，粒度＜50um)按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進(jìn)行混合并攪拌均勻，然后在200℃下預(yù)熱2h后通過(guò)導(dǎo)管(8)加入到熔融的銅中，同時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣，并在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.05T，磁場(chǎng)頻率50Hz的交流磁場(chǎng)5作用下進(jìn)行磁化學(xué)反應(yīng)原位合成，用攪拌棒(1)進(jìn)行攪拌，同時(shí)進(jìn)行保溫，磁化學(xué)反應(yīng)合成40min后，靜置10min，進(jìn)行氮?dú)饩珶?2min，隨后澆入快速冷卻的水冷鋼模中，從而制備內(nèi)生納米ZrB2顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，顆粒體積分?jǐn)?shù)為10.8％。
實(shí)施例3加熱電阻爐(6)至1100℃，使得陶瓷坩堝(4)中的A356熔融，A356精煉、靜置后，將占A356基體的15％wt的反應(yīng)原材料Zr(CO3)2+B2O3混合粉(純度99％，平均粒度80um)，按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進(jìn)行混合并攪拌均勻，然后在200℃下預(yù)熱2h后通過(guò)導(dǎo)管(8)加入到熔融的A356中，同時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣，并在脈沖電流頻率為4Hz，脈沖電流密度為1200A/cm2，約30s一次的強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)5脈沖作用下進(jìn)行磁化學(xué)反應(yīng)原位合成，用攪拌棒(1)進(jìn)行攪拌，同時(shí)進(jìn)行保溫，磁化學(xué)反應(yīng)合成50min后，靜置10min，進(jìn)行氮?dú)饩珶?2min，隨后澆入快速冷卻的水冷銅模中，從而制備內(nèi)生納米(ZrB2+Al2O3+Al3Zr)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，顆粒體積分?jǐn)?shù)為11.6％。
實(shí)施例4加熱電阻爐(6)至1500℃，使得陶瓷坩堝(4)中的銅合金熔融，銅合金精煉、靜置后，將占銅合金20％wt反應(yīng)原材料ZrOCl2+B2O3混合粉(純度99％，平均粒度120um)，按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進(jìn)行混合并攪拌均勻，然后在200℃下預(yù)熱2h后通過(guò)導(dǎo)管(8)加入到熔融的銅合金中，同時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣，并在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.07T，磁場(chǎng)頻率50Hz的交流磁場(chǎng)5作用下進(jìn)行磁化學(xué)反應(yīng)原位合成，用攪拌棒(1)進(jìn)行攪拌，同時(shí)進(jìn)行保溫，磁化學(xué)反應(yīng)合成50min后，靜置10min，進(jìn)行氮?dú)饩珶?5min，隨后澆入快速冷卻的水冷鋼模中，從而制備內(nèi)生納米(ZrB2+Al2O3+Al3Zr)顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，顆粒體積分?jǐn)?shù)為14.8％。
權(quán)利要求
1.制備金屬基納米復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)原位合成方法，其特征在于主要包括反應(yīng)體系的優(yōu)化和磁化學(xué)反應(yīng)合成技術(shù)兩方面(1)反應(yīng)體系的優(yōu)化反應(yīng)體系由鋁熔體或其合金、銅熔體或其合金和含顆粒形成元素的金屬或化合物粉體組成，它們可以是下列組合方案之一①Al-Zr粉-B粉；②Cu-Zr粉-B粉；③Al-Zr(CO3)2-B2O3④Cu-ZrOCl2-B2O3。將反應(yīng)物按一定比例混合至均勻，200℃下預(yù)熱2h后留以待用；(2)磁化學(xué)反應(yīng)合成技術(shù)將復(fù)合材料基體合金如純鋁或其合金、純銅或其合金在電感應(yīng)加熱裝置的套瓷坩堝中熔化，加熱溫度為該合金熔點(diǎn)以上200～300℃，基體合金精煉、靜置后，將按一定配比混合的反應(yīng)物通過(guò)導(dǎo)管加入基體熔液中，同時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣，并施加外加磁場(chǎng)，外加磁場(chǎng)包括直流磁場(chǎng)，交流磁場(chǎng)及強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)，使反應(yīng)在外加磁場(chǎng)作用下充分進(jìn)行磁化學(xué)合成，用攪拌棒進(jìn)行攪拌，直至反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)時(shí)間為30～50min，其中，磁場(chǎng)條件分別為直流磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1～0.3T；交流磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.03～0.07T，磁場(chǎng)頻率50Hz；強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)，其脈沖電流頻率為1.5～5Hz，脈沖電流密度為1000～1500A/cm2，約30s一次；在磁化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)進(jìn)行保溫，保溫溫度與反應(yīng)溫度相同，不同反應(yīng)體系，反應(yīng)溫度不同；反應(yīng)結(jié)束后，靜置10min，進(jìn)行氮?dú)獬龤饩珶?，時(shí)間為8～15min；澆入快速冷卻的水冷模中，從而制備內(nèi)生納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料塊體。
2.根據(jù)制備金屬基納米復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)原位合成方法，其特征在于所述復(fù)合材料基體合金為下列之一純鋁、純銅或及其合金。
全文摘要
本發(fā)明開(kāi)發(fā)了制備金屬基納米復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)原位合成方法，在磁場(chǎng)下進(jìn)行金屬熔體與金屬粉末或無(wú)機(jī)鹽的化學(xué)反應(yīng)合成，并通過(guò)快速凝固技術(shù)，進(jìn)一步控制原位合成顆粒尺寸在納米尺度，從而獲得金屬基納米復(fù)合材料。本發(fā)明制備的金屬基納米復(fù)合材料，不僅納米相顆粒形態(tài)一致，而且尺寸和分布較均勻。此外，本發(fā)明與目前的粉末冶金法和N
文檔編號(hào)C22C9/00GK1676641SQ20051003863
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者趙玉濤, 戴起勛, 程曉農(nóng), 李桂榮, 朱延山 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)