CN100471978C - 纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料及其制备方法，它由如下重量份数的原料制成：硼酸铝晶须15-20份、纳米氧化锌6-8份、变形铝合金2011 90-100份、锆粉0.3-0.5份。制作方法：先制备纳米硼酸铝晶须，然后将纳米硼酸铝晶须，用粘结剂粘结起来，制备预制块；将锆粉喷涂在预制块表面，将含锆粉的预制块预热，模具加热，将含锆粉喷涂层的预制块投入到模腔内，浇入640-680℃的变形铝合金2011熔体，使铝合金熔体渗入上述的纳米硼酸铝晶须块，均匀分散，冷却凝固便得到成型的产品。本复合材料各项性能优良，强度高，模量大，耐磨性、尺寸稳定性、耐热性比原合金有很大改善，防腐性能良好。

Description

纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料及其制备方法
技术领域 本发明涉及一种变形铝合金复合材料及其制备方法，具体说是一种纳米硼酸铝晶须为增强体的变形铝合金为基体的复合材料及其制备方法。
背景技术 近些年来发展起来的炭化硅晶须/6061变形铝合金复合材料，其性能好，如强度高，模量大，具有耐磨性，尺寸稳定性，耐热性等，但价格昂贵，现只用于航空业；硼酸铝晶须上述性能与碳化硅晶须相当，而价格仅为其1/10，为降低变形铝合金复合材料的成本，使之能够广泛的应用于工业与民用领域，迫切需要研究纳米硼酸铝晶须为增强体的变形铝合金为基体的复合材料及其制备方法。
发明内容 本发明的目的在于提供一种纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料及其制备方法，它强度大，模量大，具有耐磨性，尺寸稳定性，耐热性比现有合金有很大改善，其制备方法简便。
本发明的技术方案如下：
本发明的复合材料由如下重量份数的原料制成：
硼酸铝晶须                           15—20份
纳米氧化锌                           6—8份
变形铝合金2011                       90—100份
锆粉                                 0.3—0.5份。
上述复合材料的进一步方案为：
硼酸铝晶须                           20份
纳米氧化锌                           8份
变形铝合金2011                       100份
锆粉                                 0.5份。
上述的硼酸铝晶须的分子式为9AI2O3.2B2O3。
上述的纳米氧化锌的粒径为10—50nm。
上述的变形铝合金是变形铝铜合金，其牌号为2011。
上述的纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料的制备方法，由如下步骤组成：
1、制备纳米硼酸铝晶须
按上述比例称取纳米氧化锌和硼酸铝晶须、加入纳米氧化锌重量2—5％的聚醚酰胺，置于去离子水中，经分散打浆搅拌，转子转速60r/min，悬浮液的温度控制在70—80℃，搅拌时间10--15min，加入硼酸铝晶须，继续搅拌10--15min，转子转速100Γ/min，，用氢氧化钠或氢氧化铬调悬浮液的PH值，使其在中性或弱酸性，悬浮液中固相沉淀絮凝后，静置1h，用去离子水冲洗后，置于烘干炉中烘干，即得到均匀分散的纳米硼酸铝晶须粉体，放置通风干燥处备用。
2、制备纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料
A、按上述比例称取纳米硼酸铝晶须，用粘结剂粘结起来，制备预制块；
B、将锆粉喷涂在预制块表面，制成表面含锆粉均匀喷涂层的预制块；
C、将含锆粉的预制块预热到650℃，模具加热到300℃，将含锆粉喷涂层的预制块投入到模腔内，浇入640-680℃的变形铝合金2011熔体，浇入一次完成，施加40—60MPa的压力，保持压力至凝固为止，使铝合金熔体渗入上述的纳米硼酸铝晶须块，均匀分散，冷却凝固便得到成型的产品。
本发明的优点在于：1、本发明的复合材料各项性能优良，强度高，模量大，用硼酸铝晶须20份/纳米氧化锌8份/变形铝合金2011 100份制作的复合材料，其强度达610MPa，模量达120GPa，其强度从2011铝合金380MPa提高到610MPa；模量则从69GPa增至120GPa，2、本复合材料的耐磨性、尺寸稳定性、耐热性比原合金有很大改善，保持了原有合金的切削性良好的特性，是一种快削合金；本材料的防腐性能良好，置于容易腐蚀的场合，无须另做防腐处理；仍可热处理强化的加工铝合金，适合用于制造机械零件，具有很高的的强度，具有明显的时效特征。3、本复合材料可用于多个领域，因其在常温下的强度和弹性模量大，能替代钢材和各种金属，通用的钢材强度为500--600MPa，本发明的复合材料的强度比钢材还高，若用本发明的材料取代传统金属材料，因其耐磨工作寿命可延长2倍，与生物体的相容性也比钢材好。4、安全性和可靠性高，若用于飞机制造其可靠性可提高数十倍，从而提高其安全性能。5、本发明的材料可以回收再次利用，也可与其他铝、铝合金熔融，再次利用制造铝制品，因而可降低材料成本，不污染环境。6、本发明的制作方法简便易操作。
附图说明 图1是本发明制备方法的预制块、模腔示意图；
图2是本发明制备方法的浇入铝合金熔体示意图；
图3是本发明制备方法的下模示意图；
图4是本发明制备方法的加压示意图。
具体实施方式
实施例1：变形铝合金2011 100份、硼酸铝晶须20份、纳米氧化锌8份、锆粉0.5份。
实施例2：变形铝合金2011 95份、硼酸铝晶须17份、纳米氧化锌7份、锆粉0.4份。
实施例3：变形铝合金2011 90份、硼酸铝晶须15份、纳米氧化锌6份、锆粉0.3份。
上述的复合材料的制备方法由如下步骤组成，结合附图说明：
1、制备纳米硼酸铝晶须
按上述比例称取纳米氧化锌和硼酸铝晶须、加入纳米氧化锌重量2—5％的聚醚酰胺，置于去离子水中，其单体纳米氧化锌的浓度保持在14—16％，经分散打浆搅拌，转子转速60r/min，悬浮液的温度控制在70—80℃，搅拌时间10--15min，加入硼酸铝晶须，继续搅拌10--15min，转子转速100Γ/min，用氢氧化钠或氢氧化铬调整悬浮液的PH值，使其在中性或弱酸性，悬浮液中固相沉淀絮凝后，静置1h，用去离子水冲洗后，置于烘干炉中烘干，即得到均匀分散的纳米硼酸铝晶须粉体，放置通风干燥处备用。
聚醚酰胺(PEI—P)，是阳离子表面活性剂，上海合成树脂研究所生产。
2、、制备纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料，结合图1—图4可以看到：
A、按上述比例称取纳米硼酸铝晶须复合粉体，用粘结剂粘结起来；制备预制块1，2为上模，3为模腔；
B、将锆粉喷涂在预制块表面，制成表面含锆粉均匀喷涂层的预制块；
C、将含锆粉的预制块5预热到650℃，模具加热到300℃，将含锆粉喷涂层的预制块投入到模腔3内，浇入640-680℃的变形铝合金2011熔体4，浇入一次完成，操作时间尽可能的短；图3是下模状态，图4是用液压机6施加40—60MPa的压力，保持压力至凝固为止，使铝合金熔体渗入上述的纳米硼酸铝晶须块，均匀分散，冷却凝固便得到成型的产品7。
本发明选用的变形铝铜合金合金牌号为2011，为基体材料，纳米硼酸铝晶须为增强体材料，在高温熔融状态下，采用机械压力浸渗复合，制备硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料，选用基体材料的主要元素含量(质量分数/％)，铝余量，铜，5.0—6.0，铋0.2—0.6，铅0.2—0.6，硅≤0.4，铁≤0.7，锌≤0.3，其他杂质合计0.15.不含碱金属元素，碱土金属元素，易于与硼酸铝晶须、纳米氧化锌复合，界面反应极小。广东省佛山市深村特种铝合金制造厂生产。
本发明选用的硼酸铝晶须的分子式为9AI2O3.2B2O3，它属斜方晶系，易和碱金属元素，碱土金属元素反应，所以选用它和上述铝铜合金2011化学成分中不含碱金属元素、碱土金属元素的配合。其晶须平均直径0.5—5μm，长度为10--100μm，密度为2.93g/cm3，熔点为1960℃，拉伸强度8GPa，拉伸模量为400GPa，热膨胀系数(轴向)为1.9×10-6K。上海晶须复合材料制造有限公司生产。
本发明选用的纳米氧化锌，粒径介于10—50nm，比表面积急剧增加，表面分子排布、电子结构和晶体结构都发生变化，在磁、光、电、催化等方面具有氧化锌无法比拟的特殊性能和用途。南京海泰纳米材料有限公司生产。
本发明的复合材料基体中加入少量的锆金属，它有较强的真空除氧及耐腐蚀性，对抑制硼酸铝晶须、纳米氧化锌与铝合金基体的反应，抑制铝铜合金2011易腐蚀，形成良好界面结构有明显作用。锆粉是淄博永帮锆粉有限公司生产。

Claims (6)

1、一种纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料，其特征在于：它由如下重量份数的原料制成：
硼酸铝晶须 15—20份、纳米氧化锌 6—8份、变形铝合金 201190—100份、锆粉 0.3—0.5份。
2、根据权利要求1所述的纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料复合材料，其特征在于：它由如下重量份数的原料制成：
硼酸铝晶须20份、纳米氧化锌8份、变形铝合金2011100份、锆粉0.5份。
3、根据权利要求1所述的纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料，其特征在于：它的硼酸铝晶须的分子式为9Al2O3·2B2O3。
4、根据权利要求1所述的纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料，其特征在于：它的纳米氧化锌的粒径为10—50nm。
5、根据权利要求1所述的纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料，其特征在于：它的变形铝合金是变形铝铜合金，其牌号为2011。
6、根据权利要求1所述的纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料的制备方法，其特征在于：由如下步骤组成：
(1)、制备纳米硼酸铝晶须
按上述比例称取纳米氧化锌和硼酸铝晶须、加入纳米氧化锌重量2—5％的聚醚酰胺，置于去离子水中，经分散打浆搅拌，转子转速60r/min，悬浮液的温度控制在70—80℃，搅拌时间10--15min，加入硼酸铝晶须，继续搅拌10--15min，转子转速100r/min，用氢氧化钠或氢氧化铬调整悬浮液的pH值，使其在中性或弱酸性，悬浮液中固相沉淀絮凝后，静置1h，用去离子水冲洗后，置于烘干炉中烘干，即得到均匀分散的纳米硼酸铝晶须粉体；
(2)、制备纳米硼酸铝晶须/变形铝合金复合材料
A、按上述比例称取纳米硼酸铝晶须，用粘结剂粘结起来，制备预制块(1)；
B、将锆粉喷涂在预制块表面，制成表面含锆粉均匀喷涂层的预制块(5)；
C、将含锆粉的预制块预热到650℃，模具加热到300℃，将含锆粉喷涂层的预制块投入到模腔内(3)，浇入640-680℃的变形铝合金2011熔体(4)，浇入一次完成，施加40—60MPa的压力，保持压力至凝固为止，使铝合金熔体渗入上述的纳米硼酸铝晶须块，均匀分散，冷却凝固便得到成型的产品(7)。
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