CN101439407B - 轻金属基纳米复合材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种轻金属基纳米复合材料的制造方法，其包括以下步骤：提供一轻金属熔汤和大量纳米级材料；将轻金属熔汤和纳米级材料混合，通过超声震荡搅拌得到一均匀混合浆料；将上述均匀混合浆料注入模具中，得到轻金属基纳米复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制造方法，尤其涉及一种轻金属基纳米复合材料的制造方法。
背景技术
轻金属材料主要包括镁合金材料及铝合金材料，因为其具有较低的密度，被广泛用于航空航天领域、汽车行业和信息产业当中。但是，铸造轻金属的绝对强度低、组织较软、高温性能较差等弱点，使得轻金属仅能用来制造壳类等不能承受较大载荷的零件。而轻金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度，同时还具有较好的耐磨性、耐高温性能，所以，相比轻金属，轻金属基复合材料具有更大的潜在应用前景。
目前，主要是采用向轻金属复合材料中加入纳米级颗粒增强体的方式提高轻金属基复合材料的强度和韧性。纳米级增强体是具有纳米级晶体的微细颗粒。纳米级增强体均匀弥散分布于轻金属基体中可以有效细化轻金属的晶粒，从而提高合金强度。现有的纳米级增强体包括：碳纳米管(CNTs)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C)等。
C S Goh等人提出了一种轻金属基纳米复合材料的方法(请参见，Development of novel carbon nanotube reinforced magnesium nanocompositesusing the powder metallurgy technique，C S Goh et al.，Nanotechnology，vol 17，p7(2006))。该方法以碳纳米管为纳米级颗粒增强体加入到轻金属镁合金中形成一种轻金属基纳米复合材料。该复合材料的具体制备过程包括以下步骤：将基体切削加工成细颗粒状，同时加入碳纳米管作为增强体颗粒，形成混合物颗粒；将混合物颗粒装入料斗中，在惰性气体保护下加热，当混合物颗粒运动到加热部位时，将部分融熔形成具有触变结构的半固态料；在螺旋体作用下，半固态料累计到一定的体积时，再被高速注射到已经被抽空的预热模具中成形。在整个触变注射成形的过程中，轻金属基复合材料可以像热塑性塑料一样流动成形。
上述复合材料的制造方法清洁，安全，原材料消耗较少且没有熔渣产生，成形件可达到很高的精度，缩松少，致密度高。但是，采用该方法制备的轻金属基纳米复合材料，存在着碳纳米管分散不均匀的问题，由于碳纳米管在轻金属基纳米复合材料中分散不均匀，从而导致了轻金属基纳米复合材料在强度和韧性方面没有达到预期的要求。
因此，确有必要提供一种轻金属基纳米复合材料的制造方法，使用该方法制造的轻金属基纳米复合材料中的纳米基增强体分散均匀，且该轻金属基纳米复合材料具有强度高及韧性好的优点。
发明内容
一种轻金属基纳米复合材料的制造方法，其包括以下步骤：提供一轻金属熔汤和大量纳米级颗粒增强体；将轻金属熔汤和纳米级颗粒增强体混合，通过超声震荡搅拌得到一均匀混合浆料；将上述均匀混合浆料注入模具中，得到轻金属基纳米复合材料。
与现有技术相比较，所述的轻金属级纳米复合材料的制造方法，将纳米级颗粒增强体与轻金属的熔汤混合后，通过超声震荡的方式搅拌纳米级增强体和轻金属熔汤使其混合。由于超声震荡以较高的振幅震荡轻金属熔汤，使纳米级颗粒增强体可以在轻金属熔汤中均匀分散。因此，本技术方案所提供的轻金属基纳米复合材料的制造方法所制造的轻金属基纳米复合材料具有强度高和韧性好的优点，可广泛地应用于3C产品、汽车零部件、航天航空零部件等方面。且，本发明所提供的轻金属基纳米复合材料的制造方法操作简单，成本低廉，适合批量生产轻金属基纳米复合材料。
附图说明
图1是本技术方案轻金属基纳米复合材料的制造方法的流程图。
图2是本技术方案具体实施例所制备的轻金属基纳米复合材料结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本技术方案作进一步的详细说明。
请参阅图1，本技术方案实施例提供了一轻金属基纳米复合材料的制造方法，其具体包括以下步骤：
(一)提供一轻金属熔汤和大量纳米级颗粒增强体。
该轻金属熔汤的制备方法包括以下步骤：
首先，将一定量的轻金属粉末置于容器中。
所述轻金属为镁、铝、镁合金或铝合金等。镁合金的组成为镁和锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙等元素的一种或多种，其中镁元素的质量百分比浓度大于80％，其他元素的总质量百分比浓度小于20％。铝合金的组成为铝和锌、锰、镁、锆、钍、锂、银、钙等元素的一种或多种，其中铝元素的质量百分比浓度大于80％，其他元素的总质量百分比浓度小于20％。
本实施例中，轻金属优选为镁合金，该镁合金中，金属镁的质量百分比浓度为85％，金属锌的质量百分比浓度为15％。
所述容器由耐高温材料组成，本实施例中，容器优选为坩锅。
其次，将容器放置于加热炉中进行加热，并在容器中充满保护气体，以防止轻金属被氧化或轻金属熔汤燃烧。
所述保护气体为氮气与气体氟化物的混合物，还可进一步包括二氧化碳。其中氮气的体积百分比浓度为70-99.5％，气体氟化物的体积百分比浓度为0.5-1.0％，二氧化碳可取代部分氮气，其在保护气体中的体积百分比浓度为20-25％。本实施例中，保护气体优选为氮气和氟化硫，其中，氮气的体积百分比浓度为99.3％，氟化硫的体积百分比浓度为0.7％。
最后，当温度达到540℃时，轻金属粉末开始熔化，温度达到640℃以上时，轻金属粉末熔化为轻金属熔汤，停止加热，保持该轻金属熔汤温度处于660-690℃。
所述纳米级颗粒增强体为粉末状态，包括纳米级的碳、碳化硅、氧化铝、碳化钛、碳化硼或其任意组合的混合物，纳米级颗粒增强体粉末中颗粒的形态可以为纳米线、纳米管、纳米棒纳米球或其任意组合的混合物，直径为1.0nm-150nm。本实施例中，纳米级颗粒增强体优选为碳纳米管，其直径为30nm。
(二)将轻金属熔汤和纳米级颗粒增强体混合，通过超声震荡搅拌得到一均匀混合浆料。
在上述保护气体存在的氛围下，将一定量的纳米级颗粒增强体粉末加入到上述轻金属熔汤中，在容器中得到一混合物。将此混合物连同容器置于一高能量超声波震荡搅拌装置中，在一定频率的超声波下震荡一段时间后，得到一均匀混合浆料。
所述混合物中，轻金属的质量百分比浓度为60-98％，纳米级颗粒增强体的质量百分比浓度为2-40％。本实施例中，轻金属的质量百分比浓度优选为80％，纳米级增强体的质量百分比浓度优选为20％。
所述超声波的频率为15-20千赫兹，本实施例中超声波的频率优选为15千赫兹。
所述超声震荡的时间为5-40分钟，其与混合物的质量有关，混合物的质量越大时，超声震荡的时间越长。本实施例中，超声震荡的时间优选为30分钟。
本技术方案所采用超声震荡的超声波的频率选择为15-20千赫兹，相对于一般超声波的频率48千赫兹而言，本技术方案所采用的超声波的频率较低，而此超声震荡装置为一高能量超声震荡搅拌装置，因此该超声震荡装置的振幅较大，因此可以使轻金属熔汤中的轻金属微粒发生剧烈运动，从而可以使纳米级颗粒增强体在轻金属熔汤中均匀分配，得到一均匀混合浆料。
(三)将上述均匀混合浆料注入模具中，得到轻金属基纳米复合材料。
待超声震荡结束后，将均匀混合浆料注入到模具中，冷却凝固成型后，得到固定形状的轻金属基纳米复合材料。该固定形状的轻金属基纳米复合材料可进一步铸造成所需产品。
请参阅图2，本实施例中，将上述均匀混合浆料注入到扁铸锭形状的模具中，形成扁铸锭形状的轻金属基纳米复合材料10。在该扁铸锭形状的轻金属基纳米复合材料10中，碳纳米管12均匀分布于轻金属14中。
与现有技术相比较，本技术方案所提供的轻金属基纳米复合材料的制造方法，将纳米级颗粒增强体与轻金属的熔汤混合后，通过超声震荡的方式搅拌纳米级增强体和轻金属熔汤使其混合，由于超声震荡具有较大的振幅，使轻金属熔汤中的轻金属微粒剧烈震动，从而使纳米级颗粒增强体可以在轻金属熔汤中均匀分配，因此本技术方案所提供的轻金属基纳米复合材料的制造方法所制造的轻金属基纳米复合材料具有强度高和韧性好的优点，可广泛地应用于3C产品、汽车零部件、航天航空零部件等方面。
可以理解，本发明所述轻金属级纳米复合材料的制备方法并不只限于上述的制备步骤，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (11)
1.一种轻金属基纳米复合材料的制造方法，其包括以下步骤：
提供一轻金属熔汤和大量纳米级颗粒增强体，所述轻金属包括镁、铝、镁合金或铝合金；
将轻金属熔汤和粉末状纳米级颗粒增强体混合，通过15-20千赫兹超声震荡搅拌5-40分钟得到一均匀混合浆料，纳米级颗粒增强体的质量百分比浓度为2-40％；以及
将上述均匀混合浆料注入模具中，得到轻金属基纳米复合材料。
2.如权利要求1所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，其在保护气体存在的情况下进行，所述保护气体为氮气与气体氟化物的混合物。
3.如权利要求2所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，所述保护气体中，氮气的体积百分比浓度为70-99.5％，气体氟化物的体积百分比浓度为0.5-1.0％。
4.如权利要求1所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，所述镁合金由镁和锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙元素的一种或多种组成。
5.如权利要求4所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，所述镁合金中，镁的质量百分比浓度大于80％。
6.如权利要求1所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，所述铝合金由铝和锌、锰、镁、锆、钍、锂、银、钙元素的一种或多种组成。
7.如权利要求6所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，所述铝合金中，铝的质量百分比浓度大于80％。
8.如权利要求1所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，所述纳米级颗粒增强体包括纳米级的碳、碳化硅、氧化铝、碳化钛、碳化硼或其任意组合的混合物。
9.如权利要求8所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，所述纳米级颗粒增强体的形态为纳米线、纳米管、纳米棒、纳米球或其任意组合的混合物，其直径为1.0nm-150nm。
10.如权利要求1所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，将均匀混合浆料注入模具中后，进一步包括一冷却混合浆料的过程，直至该混合浆料凝固成型，形成轻金属基纳米复合材料。
11.如权利要求1所述的轻金属基纳米复合材料的制造方法，其特征在于，得到轻金属基纳米复合材料后进一步包括一铸造过程。
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