CN101565786B

CN101565786B - 辐射防护铝基复合材料及其真空热压制备方法

Info

Publication number: CN101565786B
Application number: CN2009100721593A
Authority: CN
Inventors: 耿林; 王庆伟; 冯义成; 范国华; 王桂松; 郑镇洙
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2029-06-02
Also published as: CN101565786A

Abstract

辐射防护铝基复合材料及其真空热压制备方法，它涉及一种铝基复合材料及其制备方法。本发明解决了现有辐射防护材料存在的强度低的缺点。本发明的辐射防护铝基复合材料由WO₃和Al基体制成，其中WO₃占WO₃和Al基体总体积的3～20％。本发明的方法如下：一、高能球磨法制复合微粉；二、在真空下热压烧结，即得到辐射防护铝基复合材料。本发明的复合材料具有较强的X射线和γ射线屏蔽能力、比重轻、稳定性好和较高的抗拉强度，并且本发明制备工艺简单。

Description

辐射防护铝基复合材料及其真空热压制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

航天电子器件在复杂的空间环境中，由于其中充满各种高能带电粒子和各波段的电磁辐射，如高能质子、电子、中子、离子和无线电波、微波、x射线等，会给航天电子器件带来严重的辐照损伤和电磁干扰，是航天器故障和失效的重要诱因。随着航天器中大规模集成电路和各种科研用电子相机等辐射敏感组件的广泛使用以及载人航天和高科技有效载荷对高安全性、高可靠性和高精度的要求，对辐射防护和电磁屏蔽提出了新的、更高的要求。除了从微电子器件设计的角度采用各种抗辐射加固技术外，研究既能抗辐射、质轻，又具有一定机械性能的新型材料具有很重要的作用。

目前辐射防护材料有：铅、铁、钡、钨、红土基陶瓷复合材料、树脂基防护材料及BaPbO₃/2024Al复合材料等

铅、铁、钡、钨等密度和原子序数较大的金属，这类材料的比重大，单纯采用这些金属作为辐射屏蔽材料会大大增加航天器的重量。

Amritphale等人将氧化铁、氧化钛、氧化铝、氧化硅等氧化物通过烧结制备了一种红土基陶瓷复合材料，这种材料在X射线能量低于250keV时具有良好的辐射防护性能，但其压缩强度和冲击韧性较差，密度达3.4g/cm³。

以天然橡胶为载体，加入一定比例的吸收X射线的金属化合物(PbO、WO₃等)和辅助材料(如促进剂、防老剂等)，混炼硫化制成树脂基防护材料；该类材料对X射线有良好的防护效果，但该类材料存在耐热性差的问题，而且高分子材料在经受一定剂量的光子辐射之后，材料内部共价键发生断裂，引起材料降解、老化，材料结构性能急剧下降，导致材料失效，严重制约了该类材料的应用。

现有的公开号为CN1766149A的中国专利公开了一种采用挤压铸造方法制备的以BaPb_1-xCe_xO₃(其中0≤x≤0.5)为增强相，Al为基体的复合材料，当x＝0时，增强相为BaPbO₃，随着增强相的加入量从5vol％增加到15vol％，得到的铝基复合材料对X射线的吸收率从12.35％增加至18.53％，对γ射线的吸收率从7.34％增加至8.21％，都呈现增大的趋势，然而铝基复合材料的抗拉强度却从217MPa降低至105MPa，比其基体材料的强度还要低，对于铝基复合材料来说，强度低则无法作为承载结构件使用；当0＜x≤0.5时，铝基复合材料的增强相为“稀土铈掺杂的铅酸钡微粉”，即BaPb_1-xCe_xO₃，该原料中的稀土铈及制备过程中的采用200～1000MPa的高压都使铝基复合材料的成本增加。

采用挤压铸造方法制备了15％体积含量的BaPbO₃/2024Al复合材料，其时效后的抗拉强度仅有124MPa，比2024Al基体的(360MPa)还要低。

综上，现有辐射防护材料虽然能够满足辐射防护性能的要求，但存在比重大、强度低、稳定性差的缺点，无法作为承载结构件使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有辐射防护材料存在的强度低的缺点；而提供一种辐射防护铝基复合材料及真空热压制备该材料的方法。本发明的复合材料具有较强的X射线和γ射线屏蔽能力、比重轻、稳定性好和较高的抗拉强度，制备工艺简单。

本发明的辐射防护铝基复合材料由WO₃和Al基体通过高能球磨破坏原始铝粉表面的氧化铝壳层，使得WO₃微粉挤入铝基体，原位反应得到WAl₁₂和Al₂O₃颗粒，生成的颗粒均匀分布铝基体中制成，其中WO₃占WO₃和Al基体总体积的3～20％。

本发明的辐射防护铝基复合材料的真空热压制备方法通过如下步骤来实现：一、将WO₃和Al基体置于球磨罐中，用硬脂酸作过程控制剂，在惰性气体的保护下，以200～400转/分钟的转速在行星式球磨机进行高能球磨8～12h，即制备出复合微粉，其中WO₃占WO₃和Al基体总体积的3％～20％，硬脂酸的用量是WO₃和Al基体总质量的0.5％～5％，球料比为10～20∶1；二、将步骤一制得的复合微粉装入模具中，在真空度为10^-2～10^-3条件下，以5～15K/min的速度升温至300℃～400℃，保温30～40min(目的充分挥发硬脂酸)，然后以相同的升温速度升温至550～600℃，保温同时施加20～50MPa的压力热压烧结复合微粉至致密度大于％％；即得到辐射防护铝基复合材料。

本发明采用了粉末冶金工艺，制得结构功能一体化的辐射防护铝基复合材料。

本发明采用真空热压烧结工艺，提高了粉末冶金材料的致密度和复合材料的抗拉强度，所制得的辐射防护铝基复合材料具有较强X射线和γ射线防护能力。

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，WO₃用量为15vol％制备的辐射防护铝基复合材料的X射线吸收率为32.75％，较铝提高154.07％。烧结态复合材料强度达到245MPa。另外，采用真空热压及WO₃用量为5vol％、10vol％和15vol％分别制备的辐射防护铝基复合材料，其辐射防护性能均较Al明显提高，其辐射防护性能及其力学性能如表1所示。

本发明运用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。本发明辐射防护铝基复合材料的比重轻，其比重为2.7～2.96g/cm³，WO₃占WO₃和Al基体总体积的15％时得到产品的比重为2.9g/cm³。

本发明通过高能球磨细化原始粉颗粒尺寸，从而促进复合材料的烧结；并且通过高能球磨破坏了原始铝粉表面较厚氧化铝壳层，使得WO₃微粉挤入铝基体，原位反应得到WAl₁₂和Al₂O₃颗粒，生成颗粒的尺寸小且均匀分布铝基体中，并且与基体结合良好，从而提高了产品的强度，并使其具有良好的稳定性。

本发明通过真空热压烧结工艺提高了粉末冶金材料的致密度和复合材料的抗拉强度，所制得的辐射防护铝基复合材料具有较强X射线和γ射线防护能力。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，WO₃用量为15％(体积)制备的辐射防护铝基复合材料的X射线吸收率为32.75％，较铝提高154.07％；其拉伸强度达到245MPa。另外，采用真空热压及WO₃用量为5％(体积)、10％(体积)和15％(体积)分别制备的辐射防护铝基复合材料，其辐射防护性能均较Al明显提高，其辐射防护性能及其力学性能如表1所示。

本发明制备工艺简单，便于操作。

附图说明

图1是具体实施方式十九中用量为15％(体积)的WO₃制得辐射防护铝基复合材料的SEM照片；图2是具体实施方式十九中用量为15％(体积)的WO₃制得辐射防护铝基复合材料白点处电子探针成分分析(真空热压)图；图3是具体实施方式十九中用量为15％(体积)的WO₃制得辐射防护铝基复合材料的X射线衍射分析图，图3中●表示WAl₁₂，▲表示Al。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的辐射防护铝基复合材料由WO₃和Al基体制成，其中WO₃占WO₃和Al基体总体积的3～20％。

本实施方式的复合材料的密度为2.7～2.96g/cm³。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：WO₃占WO₃和Al基体总体积的5～15％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：WO₃占WO₃和Al基体总体积的8～12％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：WO₃占WO₃和Al基体总体积的10％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：Al基体为纯铝或铝合金。

具体实施方式六：本实施方式中辐射防护铝基复合材料的真空热压制备方法通过如下步骤来实现：一、将WO₃和Al基体置于球磨罐中，用硬脂酸作过程控制剂，在惰性气体的保护下，以200～400转/分钟的转速在行星式球磨机进行高能球磨8～12h，即制备出复合微粉，其中WO₃占WO₃和Al基体总体积的3％～20％，硬脂酸的用量是WO₃和Al基体总质量的0.5％～5％，球料比为10～20∶1；二、将步骤一制得的复合微粉装入模具中，在真空度为10^-2～10^-3条件下，以5～15K/min的速度升温至300℃～400℃，保温30～40min(目的充分挥发硬脂酸)，然后以相同的升温速度升温至550～600℃，保温同时施加20～50MPa的压力热压烧结复合微粉至致密度大于96％；即得到辐射防护铝基复合材料。

本实施方式中步骤一操作是为了使X射线和γ射线光子吸收微粉均匀分布，同时进一步细化铝颗粒；步骤二中硬脂酸在370℃左右开始挥发，为了获得致密的材料，需要在370℃以后进行一段时间的排气；烧结过程中WO₃和Al发生原位反应，通过多次试验表明，550～600℃之间制备的材料性能最好。本实施方式适用于制备增强相为WO₃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。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中WO₃占WO₃和Al基体总体积的5％～15％。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中WO₃占WO₃和Al基体总体积的8％～12％。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中WO₃占WO₃和Al基体总体积的10％。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九不同的是：步骤一中硬脂酸的用量是WO₃和Al基体总质量的1％～4％。其它步骤及参数与具体实施方式六至九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至九不同的是：步骤一中硬脂酸的用量是WO₃和Al基体总质量的2％。其它步骤及参数与具体实施方式六至九相同。

具体实施方式十二本实施方式与具体实施方式六至九不同的是：步骤一中硬脂酸的用量是WO₃和Al基体总质量的3％。其它步骤及参数与具体实施方式六至九相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六至十二不同的是：步骤一中球料比为12～18∶1。其它步骤及参数与具体实施方式六至十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六至十二不同的是：步骤一中球料比为15∶1。其它步骤及参数与具体实施方式六至十二相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式六至十四不同的是：步骤二所述的惰性气体为氩气。其它步骤及参数与具体实施方式六至十四相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式六至十五不同的是：步骤二所述的Al基体为纯铝或铝合金。其它步骤及参数与具体实施方式六至十五相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式六至十六不同的是：步骤二中所述的热压烧结的压力为30～45MPa。其它步骤与参数与具体实施方式六至十六相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式六至十六不同的是：步骤二中所述的热压烧结的压力为40MPa。其它步骤与参数与具体实施方式六至十六相同。

具体实施方式十九：本实施方式中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、将WO₃和Al基体置于球磨罐中，用硬脂酸作过程控制剂，在氩气的保护下，以300转/分钟的转速在行星式球磨机进行高能球磨9h，即制备出复合微粉，其中WO₃占WO₃和Al基体总体积的5～15％，硬脂酸的用量是WO₃和Al基体总质量的0.5％，球料比为10～20∶1；二、将步骤一制得的复合微粉装入模具中，在真空度为10^-2～10^-3条件下，以10K/min的速度升温至400℃，保温30min(目的充分挥发硬脂酸)，然后以相同的升温速度升温至600℃，保温同时施加20MPa的压力热压烧结复合微粉至致密度大于96％；即得到辐射防护铝基复合材料。

本实施方式步骤一中采用直径为6mm、10mm和20mm的钢球作为球磨介质，6mm钢球、10mm钢球与20mm钢球的个数比为100∶25∶1。

本实施方式制得的复合材料性能见表1。本实施方式制备的辐射防护铝基复合材料的SEM照片如图1所示，对图1白点进行检测的结果见图2，同时结合图3，可知白色相应为WAl₁₂和Al₂O₃颗粒；由图3可以看出，WAl₁₂和Al₂O₃微粉较为均匀的分布在铝基体上，高能球磨工艺和真空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，其特征在于辐射防护铝基复合材料由WO₃和Al基体通过高能球磨破坏原始铝粉表面的氧化铝壳层，使得WO₃微粉挤入铝基体，原位反应得到WAl₁₂和Al₂O₃颗粒，生成的颗粒均匀分布在铝基体中制成，其中WO₃占WO₃和Al基体总体积的3～20％。

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WO₃占WO₃和Al基体总体积的5～15％。

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WO₃占WO₃和Al基体总体积的10％。

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

5.如权利要求1所述辐射防护铝基复合材料的真空热压制备方法，其特征在于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、将WO₃和Al基体置于球磨罐中，用硬脂酸作过程控制剂，在惰性气体的保护下，以200～400转/分钟的转速在行星式球磨机进行高能球磨8～12h，即制备出复合微粉，其中WO₃占WO₃和Al基体总体积的3％～20％，硬脂酸的用量是WO₃和Al基体总质量的0.5％～5％，球料比为10～20∶1；二、将步骤一制得的复合微粉装入模具中，在真空度为10^-2～10^-3条件下，以5～15K/min的速度升温至300℃～400℃，保温30～40min，然后以相同的升温速度升温至550～600℃，保温同时施加20～50MPa的压力热压烧结复合微粉至致密度大于96％；即得到辐射防护铝基复合材料。

6.根据权利要求5所述的辐射防护铝基复合材料的真空热压制备方法，其特征在于步骤一中WO₃占WO₃和Al基体总体积的5～15％。

7.根据权利要求5或6所述的辐射防护铝基复合材料的真空热压制备方法，其特征在于步骤一所述的惰性气体为氩气。

8.根据权利要求7所述的辐射防护铝基复合材料的真空热压制备方法，其特征在于步骤一所述的Al基体为纯铝或铝合金。

9.根据权利要求5、6或8所述的辐射防护铝基复合材料的真空热压制备方法，其特征在于步骤二中所述的热压烧结的压力为30～45MPa。

10.根据权利要求5、6或8所述的辐射防护铝基复合材料的真空热压制备方法，其特征在于步骤二中所述的热压烧结的压力为40MPa。