專利名稱：微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備工藝，特別涉及一種以表面包覆氧化銅納 米粒子的碳化硅粉體作為增強相的鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
陶瓷顆粒由于其高硬度、高模量及其尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，在材料設(shè)計中作為一種 增強相在金屬基、樹脂基復(fù)合材料中得到了廣泛應(yīng)用，而且就單一的陶瓷粉體或是單一的 金屬粉體在近幾年已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，其粒徑也從微米級發(fā)展到納米級范圍，但是陶 瓷顆粒與所加入基體材料體系之間潤濕性能差，嚴(yán)重制約陶瓷粉體材料的應(yīng)用。顆粒增強 鋁基復(fù)合材料兼有鋁合金和增強顆粒的優(yōu)點，具有高的比強度和模量、良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電 性以及優(yōu)良的耐磨性等性能，在航天航空、汽車、先進武器系統(tǒng)中均具有廣闊的應(yīng)用前景。 例如在公開號為CN 1182063A發(fā)明專利中提出了一種陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法， 其通過將陶瓷顆粒用助浸劑氟酸鹽進行處理，處理過的陶瓷顆粒放在鋁液底部，保溫一段 時間后進行平穩(wěn)攪拌，將鋁液澆入鑄型，此發(fā)明可以改善鋁液對陶瓷顆粒表面的潤濕性，并 通過進行平穩(wěn)攪拌，可以在大氣環(huán)境下制備出所需的復(fù)合材料。而在公開號為CN 1648269A 的發(fā)明專利中提出了一種陶瓷顆粒增強鋅-鋁復(fù)合材料的制備工藝，其以鋅和鋁元素為 基，加入了銅、銻、鎂等合金元素，提供的二步法熔煉制備工藝既保證了鈦粉與氟硼酸鉀的 正常反應(yīng)，從而為充分生成純凈硼化鈦顆粒創(chuàng)造了良好的條件；又可以使得硼化鈦在較低 的溫度下進入到鋅-鋁合金基體中，避免了金屬鋅熔液的過熱氧化燒損；此發(fā)明中的硼化 鈦顆粒相保持了其原位生成形貌，彌散均勻分布于復(fù)合材料基體中。以上技術(shù)方案的不足 之處在于，其均為單一尺度顆粒增強，顆粒均為微米級尺寸，而根據(jù)研究表明，增強體尺寸 對復(fù)合材料的性能有重要的影響，隨著增強體尺寸的增加，材料的強度會逐漸降低，但是若 采用細(xì)小的納米、亞微米級的顆粒作為增強相，則又很難在基體中均勻分散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料 及其制備方法，其利用攪拌鑄造結(jié)合原位反應(yīng)的工藝，使微納米顆粒在基體中均勻的分散， 從而在不引入其他雜質(zhì)的同時制備多尺度、多種類的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料，該鋁 基復(fù)合材料具有保持高強度，制備出高強耐磨的優(yōu)點。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料，以鋁或其合金為基體材料，其特征在于所述 鋁基復(fù)合材料還包含Iwt % IOwt %的碳化硅/氧化鋁復(fù)合材料；所述碳化硅/氧化鋁復(fù)合材料均勻分散在基體材料中，其主要由粒徑1 200 μ m 的碳化硅顆粒以及彌散分布的納米氧化鋁顆粒組成，其中納米氧化鋁顆粒有由均勻包裹在 碳化硅顆粒表面的納米氧化銅顆粒與基體合金鋁熱反應(yīng)生成；具體而言，所述鋁合金為鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系、鋁鋅系鑄造合金中的任意一種。
一種微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下 步驟Si.取粒徑為1 200 μ m的碳化硅粉末加入到含0. 1 25mol/L Cu2+的銅鹽 溶液中，至碳化硅顆粒與銅離子的摩爾比為0. 5 3，攪拌均勻得到懸浮液，再向該懸浮液 中加入堿性溶液，形成混合反應(yīng)溶液，并在溫度為10 80°C的條件下持續(xù)攪拌反應(yīng)10 120min，而后過濾混合反應(yīng)溶液，取濾出物烘焙、研磨，制得碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體；S2.取1 10wt%上述碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體加入精煉鋁液中，在保溫條件下 持續(xù)攪拌均勻，隨后升溫至780 1400°C使復(fù)合粉體與鋁熔體鋁熱反應(yīng)5 SOmin后，將獲 得的復(fù)合熔融體鑄造成型，得到微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料。進一步的講，所述銅鹽為硫酸銅、硝酸銅、氯化銅、醋酸銅中的任意一種或兩種以 上的組合。所述堿性溶液為由濃度在5 70mol/L的堿性物質(zhì)形成的溶液，所述堿性物質(zhì)為 氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇中的任意一種或兩種以上的組合。步驟Sl中是在溫度為100 500°C的條件下烘焙濾出物2 30h。步驟Sl中是以真空抽濾方式處理混合反應(yīng)溶液從而分離出濾出物的。所述精煉鋁液是采用如下工藝制備的將鋁或其合金熔化后，加入0.01 通用變質(zhì)劑和0. 1 5wt%六氯乙烷進 行變質(zhì)精煉，其后扒渣，并在溫度為600 800°C的條件下保溫待用；所述鋁合金為鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系、鋁鋅系鑄造合金中的任意一種。步驟S2中是在600 900°C的保溫條件下持續(xù)攪拌碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體和精 煉鋁液的混合物10 90min，攪拌速度為400 800rpm。步驟S2中復(fù)合熔融體的鑄造溫度控制在600 1000°C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)利用包裹的方法，使納米級的氧化銅均勻的包裹在碳化硅顆粒的表面，利用微 米級的碳化硅顆粒將納米級的氧化銅帶入鋁熔體，實現(xiàn)了納米級氧化銅的有效加入和均勻 分散；(2)利用納米級的氧化銅與鋁熔體發(fā)生鋁熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度大大降低，同時形成了 分布均勻的細(xì)小三氧化二鋁顆粒，利用鋁熱反應(yīng)生成的銅元素可以對基體進行固溶強化， 同時可以改善碳化硅顆粒與鋁基體的界面潤濕性，(3)實現(xiàn)了多尺度、多種類顆粒(如，碳化硅和氧化鋁顆粒)對基體的復(fù)合增強 (強化分別由位錯強化、細(xì)晶強化、彌散強化共同作用而成，而磨損則是氧化磨損、剝層磨 損、磨粒磨損循環(huán)進行)，獲得了高強度、高耐磨的鋁基復(fù)合材料，該復(fù)合材料的抗彎強度和 布氏硬度較原始鋁合金分別提高了 50%和73%以上，而摩擦系數(shù)降低了 25%以上。


圖1是本發(fā)明實施例1中攪拌鑄造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖加是本發(fā)明實施例1中表面包覆納米氧化銅顆粒的碳化硅粉體的SEM照片之 圖2b是本發(fā)明實施例1中表面包覆納米氧化銅顆粒的碳化硅粉體的SEM照片之圖2c是本發(fā)明實施例1中攪拌鑄造成型復(fù)合材料表面組織SEM照片；圖3a是本發(fā)明實施例2中在30°C的溫度下制備的碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體的SEM 照片；圖北是本發(fā)明實施例3中在40°C的溫度下制備的碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體的SEM 照片；圖如是本發(fā)明實施例4中復(fù)合粉體添加2.5%制備的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材 料中的SEM照片；圖4b是本發(fā)明實施例4中復(fù)合粉體添加10%制備的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材 料中的SEM照片。
具體實施例方式實施例1該微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料是通過如下工藝制備的步驟一、碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體的制備a、分別配置0. 34mol/L的硫酸銅溶液A和20mol/L的氫氧化鈉溶液B ；b、將粒徑50um碳化硅粉末按照與銅離子的摩爾比為1 1的配比加入到A溶液 中攪拌得到C混合懸浮液，攪拌時間為15min ；C、將B溶液和C懸浮液混合得到D溶液，在20°C的溫度下以IOOrpm的攪拌速度攪 拌30min ；d、將D溶液中產(chǎn)物進行真空抽濾、在150°C溫度下烘焙他、研磨，得到復(fù)合粉體， 其形貌結(jié)構(gòu)如圖2a、2b所示；步驟二、參見圖1，采用攪拌鑄造并結(jié)合原位反應(yīng)的方法制備微納米顆粒增強鋁基 復(fù)合材料a、將鋁合金在坩堝中升溫至750°C熔化，隨后加入質(zhì)量比為0. 05%的鍶變質(zhì)劑和 1. 5%的六氯乙烷進行變質(zhì)精煉，扒渣、保溫在750°C待用；b、將制得的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的復(fù)合粉體加入到已精煉好的鋁合金熔液中，在 750°C溫度下并加以攪拌lOmin，攪拌速度為600rpm。隨后升溫至825°C使得復(fù)合粉體與鋁 熔體鋁熱反應(yīng)IOmin后，扒渣，除氣獲得復(fù)合熔融體；C、在750°C溫度下鑄造成型，得到微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料，由均勻分散在基 體中的微米碳化硅和彌散分布的納米氧化鋁組成。表面組織結(jié)構(gòu)見圖2c。實施例2本實施例與實施例1的不同點在于，當(dāng)B溶液添加到C溶液中的反應(yīng)溫度為30°C。 參見圖3a，在相同條件下，在30°C溫度下包覆效果不如在20°C溫度下的包覆效果。實施例3本實施例與實施例1的不同點在于，當(dāng)B溶液添加到C溶液中的反應(yīng)溫度為40°C。 參見圖北，可以看出在40°C溫度下的包覆效果不如在20°C、30°C溫度下的包覆效果。實施例4本實施例與實施例1的不同點在于，所用粉體為碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體，質(zhì)量分 數(shù)控制在2.5%。為使得粉體和鋁熔體反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為825°C，反應(yīng)時間為20min。 圖中(參見圖如)白色的三氧化二鋁顆粒較少。
實施例5本實施例與實施例1的不同點在于，所用粉體為碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體，質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為10%。為使得粉體和鋁熔體反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為825°C，反應(yīng)時間為20min。圖中 (參見圖4b)白色顆粒為三氧化二鋁，大量分布在基體合金中。以上僅是本發(fā)明的較佳應(yīng)用范例，對本發(fā)明的保護范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用 等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均應(yīng)落在本發(fā)明權(quán)利保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料，以鋁或其合金為基體材料，其特征在于所述 鋁基復(fù)合材料還包含Iwt % IOwt %的碳化硅/氧化鋁復(fù)合材料；所述碳化硅/氧化鋁復(fù)合材料均勻分散在基體材料中，其主要由粒徑1 200 μ m的碳 化硅顆粒以及彌散分布的納米氧化鋁顆粒組成，其中納米氧化鋁顆粒有由均勻包裹在碳化 硅顆粒表面的納米氧化銅顆粒與基體合金鋁熱反應(yīng)生成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于，所述鋁合金為 鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系、鋁鋅系鑄造合金中的任意一種。
3.一種微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟51.取粒徑為1 200μ m的碳化硅粉末加入到含0. 1 25mol/L Cu2+的銅鹽溶液中， 至碳化硅顆粒與銅離子的摩爾比為0. 5 3，攪拌均勻得到懸浮液，再向該懸浮液中加入堿 性溶液，形成混合反應(yīng)溶液，并在溫度為10 80°C的條件下持續(xù)攪拌反應(yīng)10 120min，而 后過濾混合反應(yīng)溶液，取濾出物烘焙、研磨成粉體，制得碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體；52.取1 10wt%上述碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體加入精煉鋁液中，在保溫條件下持續(xù) 攪拌均勻，隨后升溫至780 1400°C使復(fù)合粉體與鋁熔體鋁熱反應(yīng)5 SOmin后，將獲得的 復(fù)合熔融體鑄造成型，得到微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所 述銅鹽為硫酸銅、硝酸銅、氯化銅、醋酸銅中的任意一種或兩種以上的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所 述堿性溶液為由濃度在5 70mol/L的堿性物質(zhì)形成的溶液，所述堿性物質(zhì)為氫氧化鈉、氫 氧化鉀、氫氧化鋇中的任意一種或兩種以上的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步 驟Sl中是在溫度為100 500°C的條件下烘焙濾出物2 30h。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步 驟Sl中是以真空抽濾方式處理混合反應(yīng)溶液從而分離出濾出物的。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所 述精煉鋁液是采用如下工藝制備的將鋁或其合金熔化后，加入0. 01 Iwt%通用變質(zhì)劑和0. 1 5wt%六氯乙烷進行變 質(zhì)精煉，其后扒渣，并在溫度為600 800°C的條件下保溫待用；所述鋁合金為鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系、鋁鋅系鑄造合金中的任意一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步 驟S2中是在600 900°C的保溫條件下持續(xù)攪拌碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體和精煉鋁液的混 合物10 90min，攪拌速度為400 800rpm。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步 驟S2中復(fù)合熔融體的鑄造溫度控制在600 1000°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料及其制備方法。該鋁基復(fù)合材料以鋁或其合金為基體材料，該基體材料中均勻分散主要由微米級碳化硅顆粒和納米氧化鋁顆粒組成，其中納米氧化鋁顆粒是由均勻包裹在碳化硅顆粒表面的納米氧化銅顆粒與基體合金鋁熱反應(yīng)生成，形成微米碳化硅/納米氧化鋁增強鋁基復(fù)合材料。該鋁基復(fù)合材料的制備方法為取微米級的碳化硅粉末與可溶性銅鹽在堿性溶液中反應(yīng)，經(jīng)過濾、烘焙、研磨，制得碳化硅/氧化銅復(fù)合粉體，再將該復(fù)合粉體與鋁熔體鋁熱反應(yīng)后鑄造成型，得到目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明實現(xiàn)了多尺度、多種類顆粒對基體的復(fù)合增強，獲得的鋁基復(fù)合材料具有高強度、高耐磨性等優(yōu)點，其抗彎強度和布氏硬度較常規(guī)鋁合金分別提高了50％和73％以上，而摩擦系數(shù)降低了25％以上。
文檔編號C22C32/00GK102102158SQ201110031679
公開日2011年6月22日 申請日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者姚輝, 張銳, 徐坤元, 李凱, 李清文, 石錦罡, 陳名海 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所