CN100400696C

CN100400696C - 辐射防护铝基复合材料及两级大气热压制备该材料的方法

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Publication number: CN100400696C
Application number: CNB2005100105678A
Authority: CN
Inventors: 耿林; 范国华; 郑镇洙; 冯玉杰; 王桂松; 曹国剑
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2025-11-23
Also published as: CN1766149A

Abstract

辐射防护铝基复合材料及两级大气热压制备该材料的方法，涉及一种铝基复合材料及其制备工艺。为了解决现有辐射防护复合材料比重大、强度低、稳定性差，以及粉末冶金法制备金属基复合材料需要采用气体保护或真空条件下进行热压烧结，设备昂贵，工艺复杂，成本高的不足，本发明的辐射防护铝基复合材料由BaPb_1-xCe_xO₃和Al基体组成，其中BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的3～20%，0≤x≤0.5。它的制备过程为：采用高能球磨法制得光子吸收微粉及铝合金的复合粉；空气环境下两级热压烧结。本发明的复合材料具有较强的X射线和γ射线屏蔽能力和较高的抗拉强度，制备工艺简单、成本低。

Description

辐射防护铝基复合材料及两级大气热压制备该材料的方法

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料及其制备工艺，具体涉及一种辐射防护铝基复合材料及在大气环境下用两级热压粉末冶金法制备该辐射防护铝基复合材料的工艺。

背景技术

电离辐射包括X射线和γ射线，人类已经利用电离辐射近百年，它在许多领域与我们的生活息息相关，然而它的危害也十分明显。同时，随着航天技术的发展，航天电子元器件工作在复杂的空间环境下，其中充满各种高能粒子，如X射线和γ射线等，它们会造成航天电子器件严重的辐照损伤，电离辐射是航天器故障和失效的重要诱因。传统的辐射防护材料如铅、铁、钨以及新型的高分子基辐射防护复合材料，虽然能够满足辐射防护性能的要求，但却存在比重大、强度低、稳定性差等缺点，无法作为承载结构件使用。研究质量轻、具有一定机械力学性能的新型辐射防护材料，不仅对于航天电子器件的安全使用和可靠性具有重要意义，而且对于大型民用防辐射轻质结构件具有重要的应用潜力。BaPbO₃陶瓷材料自从1958年Von Rudolf等人发现以来，因其类似金属的导电性而备受瞩目。研究过程发现，BaPbO₃基掺杂的陶瓷材料对于高能粒子(主要是X射线和γ射线)具有非常好的吸收性能。铝基复合材料是金属基复合材料中最受注意的一类材料，颗粒增强铝基复合材料近年来受到极大重视，其增强体价格较低，而且在制备上可以利用现有的金属材料加工方法和设备，因而其材料成本大为降低。稀土掺杂的BaPbO₃光子吸收微粉尺寸细小(＜1μm)，无法制备出预制块，因而采用挤压铸造法是难以制备出复合材料的。传统的粉末冶金法是一种成熟的金属制品制造方法，用于短纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合材料。这种方法必须将基体金属制成粉末，并与增强物均匀混合，用专门的模具压制成型、烧结等。粉末冶金法具有体积分数可调，烧结温度低，界面反应小等优点，然而需要采用气体保护或真空条件下进行热压烧结，设备昂贵，工艺复杂，成本高。目前，大气环境下两级热压粉末冶金法制备铝基复合材料以及结构功能一体化的辐射防护铝基复合材料尚未见报道。

发明内容

为了解决现有辐射防护复合材料比重大、强度低、稳定性差，以及粉末冶金法制备金属基复合材料需要采用气体保护或真空条件下进行热压烧结，设备昂贵，工艺复杂，成本高的不足，本发明旨在通过大气环境下两级热压控制氧化制备出BaPb_1-xCe_xO₃/Al复合材料，该复合材料具有较强的X射线和γ射线屏蔽能力和较高的抗拉强度，制备工艺简单、成本低。

本发明的辐射防护铝基复合材料由增强相BaPb_1-xCe_xO₃和基体Al组成，其中BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的3～20％，0≤x≤0.5。

该复合材料的制备方法通过如下步骤来实现：一、高能球磨法制备BaPb_1-xCe_xO₃/Al复合微粉：将BaPb_1-xCe_xO₃和基体Al置于球磨罐中，其中BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的3～20％，0≤x≤0.5，在惰性气体保护下采用球磨机进行高能球磨，球磨参数为：转速200～400转/分钟，球料比2～4∶1，球磨时间10～12小时；二、两级热压烧结：室温下在钢模中冷压高能球磨后的复合粉至理论密度的50～65％，制得一定形状的冷压坯；然后以5～15℃/min的速度升温加热钢模与复合材料，在260～300℃时保温30～40min，热压材料至理论密度的75～85％；以相同的升温速度加热钢模与复合材料，在530～560℃时保温50～70min，热压材料至完全致密，在200～1000MPa的压力作用下保压3～7min，制得BaPb_1-xCe_xO₃/Al复合材料。

本发明突破了现有的铝合金及其复合材料的粉末冶金工艺，制得结构功能一体化的辐射防护铝基复合材料。复合材料增强功能相为稀土铈掺杂的铅酸钡微粉，基体2024铝合金。本发明采用两级热压烧结工艺，合理控制了铝合金的氧化及有氧参与的剧烈化学反应，提高了粉末冶金材料的致密度和复合材料的抗拉强度，降低了复合材料的烧结温度，烧结过程不需气体保护或真空条件，设备简单可靠，所制得的辐射防护铝基复合材料具有较高X射线和γ射线防护能力。本发明采用高能球磨破坏原始铝合金粉表面较厚氧化铝壳层，生成较薄氧化铝壳层，并使得氧化铝挤入铝合金基体，使得光子吸收微粉均匀分布，同时细化原始粉颗粒尺寸，促进复合材料的烧结。前期研究结果表明：采用本发明可以制备出可控体积分数的铝基复合材料，该发明制备的5vol％BaPb_1-xCe_xO₃/2024Al复合材料的X射线和γ射线的吸收率分别为13.78％和8.21％，分别较2024铝合金提高68.05％和46.63％。烧结态复合材料强度达到251MPa，强度指标高于真空热压复合材料。另外，采用真空热压分别制备了BaPbO₃体积分数分别为5vol％、10vol％、15vol％的BaPbO₃/2024铝基复合材料，其辐射防护性能均较2024Al明显提高，其辐射防护性能及其力学性能如表1所示。

附图说明

图1为大气环境下复合材料冷压坯的DSC及TG分析曲线图；图2为5vol％BaPb_xCe_1-xO₃(x＝0.4)/2024Al复合材料的SEM照片(两级大气热压)；图3为5vol％BaPb_xCe_1-xO₃(x＝0.4)/2024Al复合材料白点处电子探针成分分析(两级大气热压)；图4为5vol％BaPbxCe_1-xO₃(x＝0.4)/2024Al复合材料SEM照片(两级大气热压)。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的辐射防护铝基复合材料由增强相BaPb_1-xCe_xO₃和基体Al组成，其中BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的3～20％，0≤x≤0.5。

本实施方式的BaPb_1-xCe_xO₃/Al复合材料不仅适用于本发明所述两级大气热压制备方法，它同样适用于本领域制备Al基复合材料的其他方法，例如：真空热压法。本实施方式中所述基体Al为纯铝或铝合金，优选2024铝合金。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的5％。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的10％。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的15％。

具体实施方式五：本实施方式中复合材料的制备方法通过如下步骤来实现：

一、高能球磨制备复合微粉：为实现X射线和γ射线光子吸收微粉的均匀分布，同时进一步细化铝合金颗粒，使用行星式球磨机惰性气体保护下高能球磨，将BaPb_1-xCe_xO₃和基体Al置于球磨罐中，其中BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的3～20％，0≤x≤0.5，球磨参数为：转速200～400转/分钟，球料比2～4∶1，球磨时间10～12小时。

二、两级热压烧结：为防止复合微粉在大气环境下的剧烈氧化，在研究过程中，将高能球磨后的复合粉冷压至理论密度的60％左右，采用示差扫描热分析法(DSC)和热重分析法(TG)系统研究了复合微粉大气环境下无压烧结的反应动力学。如图1所示，由DSC曲线可以看出，在556.6℃和586.8℃时材料存在两个明显的放热峰，并且TG曲线在放热峰附近陡然上升，可以推断在放热峰附近可能存在两个有氧参与的剧烈的化学反应。另外，从TG曲线可以看出，在260～300℃之间，材料重量最低，可以推断是由于物理吸附水和部分化学吸附水的挥发，可以认为此时铝合金尚未剧烈反应。另外，据研究发现，冷压坯密度低于复合材料理论密度75％时，粉末之间保持孔隙连通，而大于75％时，材料将形成与外界隔绝的自封闭系统，将不会存在铝的氧化和有氧参与的剧烈化学反应。根据以上分析结果，可以确定以下两级热压粉末冶金工艺：(1)室温下在钢模中冷压材料至理论密度的50～65％，制得一定形状的冷压坯；(2)以5～15℃/min的速度升温，在260～300℃时，使得钢模与复合材料冷压坯保温30～40min，热压材料至理论密度的75～85％，使得材料内部空洞无法连通，氧气无法进入材料内部，从而形成与空气隔绝的自封闭系统；(3)以相同的升温速度加热钢模与复合材料，在530～560℃时，保温50～70min，热压材料至完全致密，在200～1000MPa压力作用下保压3～7min，从而制得BaPb_1-xCe_xO₃/Al复合材料。两次高温下大的热压变形保证了材料的烧结性和均匀性。

本实施方式适用于制备增强相为BaPb_1-xCe_xO₃和基体为Al的复合材料，它同样适用于其他增强相增强的Al基复合材料，从而可以延伸出更多的Al基复合材料，本领域的技术人员根据这一原理进行的改进都应属于本发明的保护范畴。本实施方式中所述基体Al为纯铝或铝合金，优选2024铝合金。

具体实施方式六：以制备5vol％BaPb_1-xCe_xO₃(x＝0.4)/2024Al复合材料为例，其他所有的铝合金、增强相均适用于本实施方式所述方法。按照增强体体积分数含量计算出所需的BaPb_1-xCe_xO₃和2024铝合金质量，称好，按照2∶1球料比将复合粉末与钢球放入球磨罐中，抽真空，充氩气，然后采用300转/分钟的转速球磨10小时，制得复合微粉。

将复合微粉放入钢模中，冷压材料至理论密度的60％左右，以5℃/min的升温速度加热至300℃，保温30分钟，热压材料至理论密度的85％左右，继续升温至560℃，保温60分钟，热压材料至完全致密，在300MPa压力作用下保压5分钟，制得复合材料，烧结态复合材料性能见表1。由图2、3电子探针成分分析可以看出，白点处富含Ba、Pb、O、Ce元素，说明白色相应为BaPb_xCe_1-xO₃微粉，由图4可以看出，BaPb_xCe_1-xO₃微粉较为均匀的分布在铝合金基体上，高能球磨工艺和两级热压很好实现了材料的均匀化分布。

表1烧结态材料辐射防护及力学性能

Claims

1.辐射防护铝基复合材料，其特征在于所述辐射防护铝基复合材料由增强相BaPb_1-xCe_xO₃和基体Al组成，其中BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的3～20％，0≤x≤0.5。

2.根据权利要求1所述的辐射防护铝基复合材料，其特征在于BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的5％。

3.根据权利要求1所述的辐射防护铝基复合材料，其特征在于BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的10％。

4.根据权利要求1所述的辐射防护铝基复合材料，其特征在于BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的15％。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的辐射防护铝基复合材料，其特征在于所述基体Al为纯铝或铝合金。

6.根据权利要求5所述的辐射防护铝基复合材料，其特征在于所述铝合金为2024铝合金。

7.两级大气热压制备辐射防护铝基复合材料的方法，其特征在于所述辐射防护铝基复合材料的制备方法通过如下步骤来实现：一、高能球磨法制备BaPb_1-xCe_xO₃/Al复合微粉：将BaPb_1-xCe_xO₃和基体Al置于球磨罐中，在惰性气体保护下进行高能球磨，其中BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的3～20％，0≤x≤0.5，球磨参数为：转速200～400转/分钟，球料比2～4∶1，球磨时间10～12小时；二、两级热压烧结：室温下在钢模中冷压高能球磨后的复合粉至理论密度的50～65％，制得一定形状的冷压坯；然后以5～15℃/min的速度升温加热钢模与复合材料，在260～300℃时保温30～40min，热压材料至理论密度的75～85％；以相同的升温速度加热钢模与复合材料，在530～560℃时保温50～70min，热压材料至完全致密，在200～1000MPa压力作用下保压3～7min，制得BaPb_1-xCe_xO₃/Al复合材料。

8.根据权利要求7所述两级大气热压制备辐射防护铝基复合材料的方法，其特征在于所述基体Al为纯铝或铝合金。

9.根据权利要求8所述两级大气热压制备辐射防护铝基复合材料的方法，其特征在于所述铝合金为2024铝合金。

10.根据权利要求9所述两级大气热压制备辐射防护铝基复合材料的方法，其特征在于所述BaPb_1-xCe_xO₃/2024Al复合材料中，BaPb_1-xCe_xO₃占铝基复合材料总体积的5％，x＝0.4。