顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法。其特征在于：采用低成本、無污染的Na2B4O7作為B元素供體代替KBF4，利用熔體攪拌和超聲化學(xué)混合作用控制原位合成顆粒尺寸，制備出納米級的ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料。該制備方法具有工藝簡單，成本低廉的特點，且采用Na2B4O7作為B元素供體代替了傳統(tǒng)的KBF4，可有效減少氟鹽的用量、降低環(huán)境污染，提高B元素收得率，本發(fā)明有助于推動鋁基納米復(fù)合材料的規(guī)?；瘧?yīng)用。
【專利說明】一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁基納米復(fù)合材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]具有納米尺度的顆粒增強鋁基復(fù)合材料是相對于傳統(tǒng)的微米顆粒增強鋁基復(fù)合材料更具競爭力的新型復(fù)合材料，受到科學(xué)和工程領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注；當(dāng)復(fù)合材料中的增強顆粒尺寸由微米級減小到納米級時，單位體積內(nèi)納米顆粒的比表面積是微米顆粒的比表面積的數(shù)百倍之多，這將極大的提高復(fù)合材料內(nèi)部的界面，大量的活性界面導(dǎo)致納米顆粒與基體產(chǎn)生強烈的交互作用；這種強烈的交互作用使得納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料的比強度，比模量，耐磨損性及高溫抗蠕變性能等較常規(guī)金屬材料和傳統(tǒng)微米顆粒增強體金屬基復(fù)合材料有了顯著提高，從而達到減重和提高服役安全性的雙重目的，是理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、電子、汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]ZrB2相對于TiC、SiC、Al2O3等常見的鋁基復(fù)合材料增強體，具有高熔點、高硬度和高模量、耐腐蝕、耐磨等優(yōu)點，使ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料受到廣泛的關(guān)注；其中原位顆粒增強鋁基復(fù)合材料，由于其增強體與基體良好的界面結(jié)合和高溫穩(wěn)定性而成為該領(lǐng)域的研究熱點；在現(xiàn)有的合成工藝中，混合鹽反應(yīng)法原位制備鋁基復(fù)合材料可實現(xiàn)與現(xiàn)有材料成型工藝無縫對接，且工藝簡單、成本低，所制備的復(fù)合材料性能好，而最具工業(yè)化應(yīng)用前景，如申請?zhí)枮?01110306599.8的發(fā)明專利報道了通過超聲作用，采用Al，K2ZrF6與KBF4反應(yīng)成中間合金，將中間合金加入到鎂熔體中制備ZrB2鎂基復(fù)合材料的方法，此方法所制備ZrB2顆粒彌散分布，使第二相Mg17Al12連續(xù)的網(wǎng)狀分布相變?yōu)轭w粒狀或短塊狀，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅度提高，但這該工藝制備的中間合金中ZrB2尺寸為微米級，同時反應(yīng)粉劑均為氟鹽，環(huán)境污染嚴(yán)重、人體危害大，且KBF4的分解溫度低、易發(fā)生反應(yīng)生成KF +BF 3 (氣體)，導(dǎo)致B元素的收得率偏低(實際中KBF4 —般要過量20wt.%)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法；采用低成本、無污染的Na2B4O7作為B元素供體代替KBF4,利用熔體攪拌和超聲化學(xué)混合作用控制原位合成顆粒尺寸，制備出納米級的顆粒增強鋁基復(fù)合材料。
[0005]本發(fā)明的納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料原位制備方法具有以下優(yōu)點:①采用Na2B4O7作為B元素供體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的KBF4，可有效減少氟鹽的用量、降低氟鹽帶來的環(huán)境污染。②同時Na2B4O7分解溫度高，不產(chǎn)生含B的揮發(fā)氣體，利于B收得率的提高，且Na2B4O7來源廣泛，成本低廉，有利于實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。③在高能超聲的作用下，合成的ZrB2顆粒尺寸為納米級(2(Tl00nm)，顆粒分布均勻，從而利于所制備的復(fù)合材料力學(xué)性能的大幅度提聞。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的: (IWfK2ZrF6和Na2B4O7.1OH2O在干燥箱中烘干去除結(jié)晶水，然后研磨并按比例稱量待用。
[0007](2)將作為基體金屬的純鋁或鋁合金進行熔煉。
[0008](3)將無水Na2B4O7加入到鋁熔體中反應(yīng)并用石墨攪拌器攪拌，保溫，扒渣獲得Al-B中間熔體。
[0009](4)將無水K2ZrF6加入步驟(3)所獲得的熔體中反應(yīng)，并施加攪拌和超聲促進熔體的混合，增強顆粒的生成和均勻分散，反應(yīng)結(jié)束后對復(fù)合熔體進行靜置保溫、精煉、除渣、澆鑄獲得納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料。
[0010]步驟(I)所述的K2ZrF6和Na2B4O7.1OH2O烘干溫度為300°C，時間為2?3h，烘干后按照摩爾比例2:1稱取K2ZrF6和Na2B4O75K2ZrF6和Na2B4O7的加入量為純鋁或鋁合金質(zhì)量的10?20%。
[0011]步驟(2)中所述的熔煉溫度為950±5°C，保溫時間為l(T20min。
[0012]步驟(3)中使用石墨鐘罩將Na2B4O7壓入上述熔體，使Na2B4O7與熔體充分接觸反應(yīng)，反應(yīng)時間為5?10min，攪拌采用帶有石墨攪拌頭的攪拌器攪拌鋁熔體，攪拌速度為20(Tl000r/min，攪拌時間為2?5 min，保溫溫度為85(T900°C，保溫時間為3?5min。
[0013]其中Na2B4O7與Al熔體的反應(yīng)式為:
Na2B4O7 +6Al=Na20+2Al203+2AlB2 ；
其中Al2O3在鋁熔體與Na2B4O7熔體界面生成，且與鋁的潤濕性差，在除渣過程中和Na2O 一起被除去，并獲得Al-B中間熔體。
[0014]步驟(4)中K2ZrF6加入Al-B熔體的反應(yīng)時間為5?lOmin，所述的攪拌采用帶有石墨攪拌頭的攪拌器攪拌招熔體，其攪拌速度為200?1000r/min,攪拌時間為2?5min ;所述的超聲為高能超聲，功率大小為800W?1200W，超聲時間為5?lOmin，靜置保溫溫度為85(T900°C，時間為6?12min，澆注溫度為720±10°C。
[0015]其中K2ZrF6與A1-B熔體反應(yīng)式為:
3K2ZrF6+13Al=3Al3Zr+4AlF3+6KF ；
AlB2+Al3Zr=ZrB2+4Al。
[0016]在機械攪拌和高能超聲的共同作用下獲得納米級ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1所示為制備的復(fù)合材料的XRD圖。
[0018]圖2所示為所制備出的復(fù)合材料的SEM圖。
[0019]圖3所示為所制備材料中增強體顆粒的EDS圖。

【具體實施方式】
[0020]下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明:本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0021]實例1:
將一定的K2ZrF6和Na2B4O7.1OH2O在干燥箱300°C中烘干2h，研磨；烘干后的K2ZrF6和Na2B4O7按摩爾比2:1比例稱取，其總質(zhì)量占純鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% ;將純鋁在電阻爐中加熱至9500C，然后保溫15min，先用石墨鐘罩將Na2B4O7粉劑壓入到純鋁熔體中使鋁液與粉末充分接觸反應(yīng)5min,使用石墨攪拌器攪拌3min,攪拌速度為400r/min,于870°C保溫4min后，隨后用石墨鐘罩將K2ZrF6粉劑壓入到上述熔體中后，用攪拌器攪拌鋁熔體，其攪拌速度為500r/min，攪拌時間為2min，之后將高能超聲探頭伸入熔體2cm下，超聲功率調(diào)至1000W，對熔體進行超聲振動5min，于850°C后靜置保溫6min后，加精煉劑精煉，然后扒渣，隨后于720°C澆注在銅模中，冷卻后獲得復(fù)合材料(增強體體積分?jǐn)?shù)為1.5%)。
[0022]實例2:
將一定的1^沖6和Na2B4O7.1OH2O在干燥箱300°C中烘干2h，研磨，烘干后的K2ZrF6和Na2B4O7按摩爾比2:1比例稱取，其總質(zhì)量為鋁基體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的20% ;將6063A1在電阻爐中加熱至950°C，然后保溫lOmin。用石墨鐘罩將Na2B4O7粉劑壓入鋁液，使鋁液與粉末充分接觸反應(yīng)5min,隨后使用石墨攪拌器對熔體進行攪拌,攪拌時間為2min,攪拌速度為800r/min，于880°C保溫5min后扒渣。用石墨鐘罩將K2ZrF6粉末壓入到上述熔體反應(yīng)后，用石墨攪拌器攪拌招熔體，其攪拌速度為600r/min,攪拌時間為3min,之后將高能超聲探頭伸入熔體2cm下，超聲功率調(diào)至800W，對熔體進行超聲振動8min，于860°C靜置保溫8min，加精煉劑精煉，然后扒渣，于720°C澆注到銅模中。從而制備出納米3vol.0ZoZrB2/ 6063A1復(fù)合材料。
[0023]圖1所示為制備的復(fù)合材料的XRD圖，可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)生成了 ZrB2顆粒。
[0024]圖2所示為所制備出的復(fù)合材料的SEM圖，從圖中可以看出顆粒尺寸在10nm以下(平均尺寸為45nm)，且分布均勻。
[0025]圖3所示為所制備材料中增強體顆粒的EDS圖，顯示由Zr、B兩種元素構(gòu)成，即與圖1的XRD分析對應(yīng)，進一步證明所制備復(fù)合材料中生成的增強體顆粒為ZrB2。
【權(quán)利要求】
1.一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法，其特征在于:采用低成本、無污染的Na2B4O7作為B元素供體代替KBF4,利用熔體攪拌和超聲化學(xué)混合作用控制原位合成顆粒尺寸，制備出納米級的ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法，其特征在于:所述ZrB2顆粒尺寸在10nm以下,平均尺寸為45nm,且分布均勻。
3.如權(quán)利要求1所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法，其特征在于具體步驟如下: (IWfK2ZrF6和Na2B407.10H20在干燥箱中烘干去除結(jié)晶水，然后研磨并按比例稱量待用； (2)將作為基體金屬的純鋁或鋁合金進行熔煉； (3)將無水Na2B4O7加入到鋁熔體中反應(yīng)并用石墨攪拌器攪拌，保溫，扒渣獲得Al-B中間熔體； (4)將無水K2ZrF6加入步驟(3)所獲得的熔體中反應(yīng)，并施加攪拌和超聲促進熔體的混合，增強顆粒的生成和均勻分散，反應(yīng)結(jié)束后對復(fù)合熔體進行靜置保溫、精煉、除渣、澆鑄獲得納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料。
4.如權(quán)利要求3所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法，其特征在于:步驟(I)所述的K2ZrF6和Na2B407.10H20烘干溫度為300°C，時間為2?3h，烘干后按照摩爾比例2:1稱取K2ZrF6和Na2B4O75K2ZrF6和Na2B4O7的加入量為純鋁或鋁合金質(zhì)量的1(Γ20%。
5.如權(quán)利要求3所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法，其特征在于:步驟(2)中所述的熔煉溫度為950±5°C，保溫時間為l(T20min。
6.如權(quán)利要求3所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法，其特征在于:步驟(3)中使用石墨鐘罩將Na2B4O7壓入上述熔體，使Na2B4O7與熔體充分接觸反應(yīng)，反應(yīng)時間為5?10min，攪拌采用帶有石墨攪拌頭的攪拌器攪拌鋁熔體，攪拌速度為20(Tl000r/min，攪拌時間為2?5 min，保溫溫度為85(T900°C，保溫時間為3?5min。
7.如權(quán)利要求3所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位制備方法，其特征在于:步驟(4)中K2ZrF6加入Al-B熔體的反應(yīng)時間為5?lOmin，所述的攪拌采用帶有石墨攪拌頭的攪拌器攪拌招熔體，其攪拌速度為200?1000r/min,攪拌時間為2?5min ;所述的超聲為高能超聲，功率大小為800W?1200W，超聲時間為5?lOmin，靜置保溫溫度為85(T900°C，時間為6?12min，澆注溫度為720±10°C。
【文檔編號】C22C32/00GK104451236SQ201410621819
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】趙玉濤, 茅澤民, 怯喜周, 孫霞飛 申請人:江蘇大學(xué)