CN101724795A

CN101724795A - 提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法

Info

Publication number: CN101724795A
Application number: CN200910311604A
Authority: CN
Inventors: 张学习; 耿林; 王德尊
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: CN101724795B

Abstract

提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，它涉及提高增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法。本发明解决了晶须增强纯铝基复合材料的延伸率低的问题。本发明方法如下：称取硼酸铝晶须和碳纳米管，碳纳米管纯化制成碳纳米管悬浊液，然后制成预制块，再烘干后烧结，浇纯铝二次加压后随炉冷却。本发明方法制备出的硼酸铝晶须与碳纳米管同时增强的复合材料中Al/ABOw和Al/MWNTs界面平直，没有发现界面反应产物，制备过程没有对晶须或碳纳米管产生明显的损伤。本发明制备的复合材料的延伸率达到3.69％以上，延伸率比硼酸铝晶须增强的纯铝复合材料有明显提高，而且弹性模量、屈服强度和抗拉强度得到进一步的提高。

Description

提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法

技术领域

本发明涉及提高纯铝基复合材料强度和塑性的方法。

背景技术

与铝相比，晶须(碳化硅晶须、硼酸铝晶须等)增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、耐磨损性、低的热膨胀系数，在航空、航天、电子和机械等行业具有应用潜力。然而在铝中加入晶须后，铝的塑性和韧性降低，容易导致脆性断裂。以硼酸铝晶须增强纯铝基复合材料为例进行说明，由于相互搭接的硼酸铝晶须割裂了连续的基体铝合金，且晶须与基体之间的界面结合强度低，受力作用下裂纹首先在晶须搭接和晶须/基体界面处萌生，随后迅速扩展，造成材料低的延伸率；纯铝的延伸率为52％，为韧性断裂，而晶须体积分数为20％的硼酸铝晶须增强纯铝基复合材料的延伸率仅不到0.5％，为脆性断裂，这种延伸率的大幅降低成为晶须增强铝合金复合材料在航空、航天等领域应用的主要障碍之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决晶须增强纯铝基复合材料的延伸率低的问题；提供了提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法。

本发明提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法是通过下述步骤进行的：一、根据预制块中晶须和碳纳米管的体积分数及预制块的高度，按照m＝0.25×10^-2×π×D²×H×V_f×ρ分别称取直径为0.1～1μm的硼酸铝晶须和直径为10～30nm的碳纳米管，其中，m是需要称取的晶须或碳纳米管的质量，m的单位：g，D是预制块的直径，D的单位：cm，H是预制块的高度，H的单位：cm，V_f是预制块中晶须或碳纳米管的体积百分数，ρ是晶须或碳纳米管的密度，ρ的单位：g/cm³，晶须为碳化硅晶须或硼酸铝晶须；二、将步骤一称取的碳纳米管纯化，再用蒸馏水稀释20～40倍后用微孔滤膜进行负压过滤，过滤过程中不断添加蒸馏水直到过滤出溶液的pH值为6.5～7.5；三、再用蒸馏水将微孔滤膜上的碳纳米管冲洗下来，得到碳纳米管悬浊液，其中碳纳米管悬浊液中碳纳米管质量与蒸馏水的体积的比例为1克∶100毫升；四、将碳纳米管悬浊液超声分散5分钟，然后机械搅拌10分钟；五、重复步骤四的操作三次；六、将步骤一称取的晶须用氢氟酸酸洗后放入经步骤四处理的碳纳米管中，再加入硅胶粘结剂得到混合料，硅胶粘结剂体积与步骤一晶须质量比为2毫升∶1克，然后将混合料超声分散0.5～1小时，再机械搅拌同时在80～100℃条件下加热至混合料体积在30(m_W/3.2)～40(m_W/3.2，m_W是预制块中晶须质量，m_W的单位为g，得到糊状混合物；七、将糊状混合物倒入模具中，在室温下保持12～24小时，将压头放入模具中加压至预制块的高度，保压10～20分钟，脱模，得到预制块；八、将预制块在室温下放置24～48小时，然后放入烘干箱内烘干，再放入烧结炉内进行真空烧结；九、将经烧结处理的预制块放入钢模具中，预制块与钢模具之间的缝隙长度为5～10mm，用纯铝粉将预制块和模具间的缝隙填平，随后在预制块和纯铝粉表面撒上2～4毫米厚的粒度200目的氧化铝粉，再在模具外面放上环形电阻加热炉，升温到520～570℃后保温至少三十分钟；十、将纯铝加热到820～870℃并保温至少三十分钟，然后浇注到经步骤九处理的预制块模具中，施加5MPa的压力，保压20秒，升压至150MPa，保压5分钟，随炉冷却，即完成了对晶须增强纯铝基复合材料的强度和塑性提高。

本发明所述方法还可用酸性磷酸铝粘结剂代替步骤六的硅胶粘结剂。

本发明方法制备出的硼酸铝晶须与碳纳米管同时增强的复合材料中Al/ABOw和Al/MWNTs界面平直，没有发现界面反应产物，制备过程没有对晶须或碳纳米管产生明显的损伤。本发明制备的复合材料(ABOw+MWNTs/Al)的延伸率达到3.69％以上，延伸率比硼酸铝晶须增强的纯铝复合材料有明显提高，而且弹性模量、屈服强度和抗拉强度得到进一步的提高。

附图说明

图1是具体实施方式十四制备的硼酸铝晶须(ABOw)与碳纳米管(MWNTs)同时增强纯铝(Al)复合材料(ABOw+MWNTs/Al)中Al/ABOw界面的透射电镜照片；图2是具体实施方式十四制备的硼酸铝晶须(ABOw)与碳纳米管(MWNTs)同时增强纯铝(Al)复合材料(ABOw+MWNTs/Al)中Al/MWNTs界面的透射电镜照片；图3是纯铝(pure Al)、硼酸铝晶须增强纯铝复合材料(ABOw/Al)和晶须与碳纳米管同时增强纯铝复合材料(ABOw+MWNTs/Al)的拉伸曲线图。

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：本实施方式提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法是通过下述步骤进行的：一、根据预制块中晶须和碳纳米管的体积分数及预制块的高度，按照m＝0.25×10^-2×π×D²×H×V_f×ρ分别称取直径为0.1～1μm的硼酸铝晶须和直径为10～30nm的碳纳米管，其中，m是需要称取的晶须或碳纳米管的质量，m的单位：g，D是预制块的直径，D的单位：cm，H是预制块的高度，H的单位：cm，V_f是预制块中晶须或碳纳米管的体积百分数，ρ是晶须或碳纳米管的密度，ρ的单位：g/cm³，晶须为碳化硅晶须或硼酸铝晶须；二、将步骤一称取的碳纳米管纯化，再用蒸馏水稀释20～40倍后用微孔滤膜进行负压过滤，过滤过程中不断添加蒸馏水直到过滤出溶液的pH值为6.5～7.5；三、再用蒸馏水将微孔滤膜上的碳纳米管冲洗下来，得到碳纳米管悬浊液，其中碳纳米管悬浊液中碳纳米管质量与蒸馏水的体积的比例为1克∶100毫升；四、将碳纳米管悬浊液超声分散5分钟，然后机械搅拌10分钟；五、重复步骤四的操作三次；六、将步骤一称取的晶须用氢氟酸酸洗后放入经步骤四处理的碳纳米管中，再加入硅胶粘结剂得到混合料，硅胶粘结剂体积与步骤一晶须质量比为2毫升∶1克，然后将混合料超声分散0.5～1小时，再机械搅拌同时在80～100℃条件下加热至混合料体积在30(m_W/3.2)～40(m_W/3.2)，m_W是预制块中晶须质量，m_W的单位为g，得到糊状混合物；七、将糊状混合物倒入模具中，在室温下保持12～24小时，将压头放入模具中加压至预制块的高度，保压10～20分钟，脱模，得到预制块；八、将预制块在室温下放置24～48小时，然后放入烘干箱内烘干，再放入烧结炉内进行真空烧结；九、将经烧结处理的预制块放入钢模具中，预制块与钢模具之间的缝隙长度为5～10mm，用纯铝粉将预制块和模具间的缝隙填平，随后在预制块和纯铝粉表面撒上2～4毫米厚的粒度200目的氧化铝粉，再在模具外面放上环形电阻加热炉，升温到520～570℃后保温至少三十分钟；十、将纯铝加热到820～870℃并保温至少三十分钟，然后浇注到经步骤九处理的预制块模具中，施加5MPa的压力，保压20秒升压至150MPa，保压5分钟，随炉冷却，即完成了对晶须增强纯铝基复合材料的强度和塑性提高。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的碳纳米管在预制块中体积分数为0.2～0.6％，晶须在预制块中体积分数为18～25％。其它步骤和参数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：步骤一中所述的碳纳米管在预制块中体积分数为0.3～0.％，晶须在预制块中体积分数为20～23％。其它步骤和参数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：步骤一中所述的碳纳米管体积含量在0.4％，晶须体积含量在21％。其它步骤和参数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：步骤一所述的碳纳米管表面镀覆有金属镍，碳纳米管表面的镍层为连续或不连续的两种。其它步骤和参数与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：所述的碳纳米管为单壁碳纳米管。其它步骤和参数与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：步骤二中所述的碳纳米管纯化是将碳纳米管放入浓HNO₃中，在120℃条件下加热回流10小时。其它步骤和参数与具体实施方式一至六相同。

本实施方式中每50毫升浓硝酸中加入1克碳纳米管，浓硝酸的质量浓度为67％。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：步骤二中所述的碳纳米管纯化是将碳纳米管放入由浓硫酸和浓硝酸按3∶1体积比组成的混合酸中，在室温下搅拌24～48小时。其它步骤和参数与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是：步骤六中用氢氟酸酸洗晶须是按150g晶须、75毫升氢氟酸和200毫升蒸馏水的配比将晶须加入氢氟酸和蒸馏水中，搅拌0.5～3h后放置24h。其它步骤和参数与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是：步骤六中所述的硅胶粘结剂由聚乙烯醇、硅溶胶、丙三醇和水按1∶1∶1∶15的质量比制成的；所述硅胶粘结剂制备方法如下：将蒸馏水加热至80～90℃，加入聚乙烯醇，不断搅拌使其完全溶解，随后加入丙三醇，搅拌均匀，最后加入硅溶胶，搅拌均匀后冷却即可。其它步骤和参数与具体实施方式一至九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十不同的是：步骤八中所述预制块烘干是按下述步骤进行的：先在30℃条件下保温2h，升温至45℃保温2h，再升温至60℃保温2h，然后升温75℃保温2h，在升温105℃保温2h。其它步骤和参数与具体实施方式一至十相同。

通过本实施方式烘干方法得到的预制块结构完整，没有表面裂纹。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一不同的是：步骤八中预制块真空烧结是在1×10^-2～5×10^-2Pa的真空度条件下，以10℃/min升温到200℃保温10分钟，再以10℃/min升温到400℃保温1h，然后以10℃/min升温到600℃保温10分钟，再以10℃/min升温到800℃保温3h，以10℃/min降温到室温后取出。其它步骤和参数与具体实施方式一至十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二不同的是：采用酸性磷酸铝粘结剂代替步骤六的硅胶粘结剂。其它步骤和参数与具体实施方式一至十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法是通过下述步骤进行的：一、根据预制块中硼酸铝晶须的体积分数为30.1％和碳纳米管的体积分数为0.4％及预制块的高度为60mm，按照m＝0.25×10^-2×π×D²×H×V_f×ρ分别称取直径为0.1～1μm的硼酸铝晶须和直径为10～30nm的碳纳米管；二、将步骤一称取的碳纳米管放入浓HNO₃中，在120℃条件下加热回流10小时，每50毫升浓硝酸中加入1克碳纳米管，所述浓硝酸的质量浓度为67％，再用蒸馏水稀释30倍后用孔径为0.45微米的微孔滤膜进行负压过滤，过滤过程中不断添加蒸馏水直到过滤出溶液的pH值为6.5～7.5；三、再用蒸馏水将微孔滤膜上的碳纳米管冲洗下来，得到碳纳米管悬浊液，其中碳纳米管悬浊液中碳纳米管质量与蒸馏水的体积的比例为1克∶100毫升；四、将碳纳米管悬浊液超声分散5分钟，然后机械搅拌10分钟；五、重复步骤四的操作三次；六、将步骤一称取的晶须用氢氟酸酸洗后放入经步骤四处理的碳纳米管中，再加入硅胶粘结剂得到混合料，所述硅胶粘结剂采用具体实施方式十中的硅胶粘结剂，硅胶粘结剂体积与步骤一晶须质量比为2毫升∶1克，然后将混合料超声分散0.5～1小时，再机械搅拌同时在80～100℃条件下加热至混合料体积在30(m_W/3.2)～40(m_W/3.2，m_W是预制块中晶须质量，m_W的单位为g，得到糊状混合物；七、将糊状混合物倒入模具中，在室温下保持12～24小时，将压头放入模具中加压至预制块的高度，保压10～20分钟，脱模，得到预制块；八、将预制块在室温下放置24～48小时，然后放入烘干箱内烘干，所述烘干是按下述步骤进行的：先在30℃条件下保温2h，升温至45℃保温2h，再升温至60℃保温2h，然后升温75℃保温2h，在升温105℃保温2h，再放入烧结炉内进行真空烧结，真空烧结是在1×10^-2的真空度条件下，以10℃/min升温到200℃保温10分钟，再以10℃/min升温到400℃保温1h，然后以10℃/min升温到600℃保温10分钟，再以10℃/min升温到800℃保温3h，以10℃/min降温到室温后取出；九、将经烧结处理的预制块放入钢模具中，预制块与钢模具之间的缝隙长度为5mm，用纯铝粉将预制块和模具间的缝隙填平，随后在预制块和纯铝粉表面撒上2～4毫米厚的粒度200目的氧化铝粉，再在模具外面放上环形电阻加热炉，升温到520～570℃后保温至少三十分钟；十、将纯铝加热到820～870℃并保温至少三十分钟，然后浇注到经步骤九处理的预制块模具中，施加5MPa的压力，保压20秒，升压至150MPa，保压5分钟，随炉冷却，即完成了对晶须增强纯铝基复合材料的强度和塑性提高。

表1纯铝(pure Al)、硼酸铝晶须增强纯铝复合材料(ABOw/Al)和晶须与碳纳米管同时增强纯铝(Al)复合材料(ABOw+MWNTs/Al)拉伸力学性能指标

由图1可以看出，制备出的硼酸铝晶须与碳纳米管同时增强的复合材料中Al/ABOw和Al/MWNTs界面平直，没有发现界面反应产物，制备过程没有对晶须或碳纳米管产生明显的损伤。由图2可以看出，与纯铝相比，硼酸铝晶须增强纯铝复合材料(ABOw/Al)和晶须与碳纳米管同时增强纯铝复合材料(ABOw+MWNTs/Al)的抗拉强度都有明显提高，但延伸率都有明显降低。具体力学性能指标如表1所示，可以看出硼酸铝晶须增强纯铝复合材料弹性模量、屈服强度、抗拉强度与纯铝相比都有明显提高，但延伸率从纯铝的52.90％降低到0.48％；然而含有碳纳米管的复合材料(ABOw+MWNTs/Al)延伸率达到3.69％，延伸率比不加碳纳米管的复合材料有明显提高，同时复合材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度得到进一步的提高。

Claims

1.提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法是通过下述步骤进行的：一、根据预制块中晶须和碳纳米管的体积分数及预制块的高度，按照m＝0.25×10^-2×π×D²×H×V_f×ρ分别称取直径为0.1～1μm的硼酸铝晶须和直径为10～30nm的碳纳米管，其中，m是需要称取的晶须或碳纳米管的质量，m的单位：g，D是预制块的直径，D的单位：cm，H是预制块的高度，H的单位：cm，V_f是预制块中晶须或碳纳米管的体积百分数，ρ是晶须或碳纳米管的密度，ρ的单位：g/cm³，晶须为碳化硅晶须或硼酸铝晶须；二、将步骤一称取的碳纳米管纯化，再用蒸馏水稀释20～40倍后用微孔滤膜进行负压过滤，过滤过程中不断添加蒸馏水直到过滤出溶液的pH值为6.5～7.5；三、再用蒸馏水将微孔滤膜上的碳纳米管冲洗下来，得到碳纳米管悬浊液，其中碳纳米管悬浊液中碳纳米管质量与蒸馏水的体积的比例为1克∶100毫升；四、将碳纳米管悬浊液超声分散5分钟，然后机械搅拌10分钟；五、重复步骤四的操作三次；六、将步骤一称取的晶须用氢氟酸酸洗后放入经步骤四处理的碳纳米管中，再加入硅胶粘结剂得到混合料，硅胶粘结剂体积与步骤一晶须质量比为2毫升∶1克，然后将混合料超声分散0.5～1小时，再机械搅拌同时在80～100℃条件下加热至混合料体积在30(m_W/3.2)～40(m_W/3.2)，m_W是预制块中晶须质量，m_W的单位为g，得到糊状混合物；七、将糊状混合物倒入模具中，在室温下保持12～24小时，将压头放入模具中加压至预制块的高度，保压10～20分钟，脱模，得到预制块；八、将预制块在室温下放置24～48小时，然后放入烘干箱内烘干，再放入烧结炉内进行真空烧结；九、将经烧结处理的预制块放入钢模具中，预制块与钢模具之间的缝隙长度为5～10mm，用纯铝粉将预制块和模具间的缝隙填平，随后在预制块和纯铝粉表面撒上2～4毫米厚的粒度200目的氧化铝粉，再在模具外面放上环形电阻加热炉，升温到520～570℃后保温至少三十分钟；十、将纯铝加热到820～870℃并保温至少三十分钟，然后浇注到经步骤九处理的预制块模具中，施加5MPa的压力，保压20秒，升压至150MPa，保压5分钟，随炉冷却，即完成了对晶须增强纯铝基复合材料的强度和塑性提高。

2.根据权利要求1所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于步骤一中所述的碳纳米管在预制块中体积百分数为0.2～0.6％，晶须在预制块中体积百分数为18～25％。

3.根据权利要求1或2所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于步骤一所述的碳纳米管表面镀覆有金属镍，碳纳米管表面的镍层为连续或不连续的两种。

4.根据权利要求3所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于步骤二中所述的碳纳米管纯化是将碳纳米管放入浓硝酸中，在120℃条件下加热回流10小时；其中每50毫升浓硝酸中加入1克碳纳米管，浓硝酸的质量浓度为67％。

5.根据权利要求3所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于步骤二中所述的碳纳米管纯化是将碳纳米管放入由浓硫酸和浓硝酸按3∶1体积比组成的混合酸中，在室温下搅拌24～48小时。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于步骤六中用氢氟酸酸洗晶须是按150g晶须、75毫升氢氟酸和200毫升蒸馏水的配比将晶须加入氢氟酸和蒸馏水中，搅拌机械搅拌0.5～3h后放置24h。

7.根据权利要求6所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于步骤六中所述的硅胶粘结剂由聚乙烯醇、硅溶胶、丙三醇和水按1∶1∶1∶15的质量比制成的；所述硅胶粘结剂制备方法如下：将蒸馏水加热至80～90℃，加入聚乙烯醇，不断搅拌使其完全溶解，随后加入丙三醇，搅拌均匀，最后加入硅溶胶，搅拌均匀后冷却即可。

8.根据权利要求1、2、4、5或7所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于步骤八中所述预制块烘干是按下述步骤进行的：先在30℃条件下保温2h，升温至45℃保温2h，再升温至60℃保温2h，然后升温75℃保温2h，在升温105℃保温2h。

9.根据权利要求8所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于步骤八中预制块烧结是在1×10^-2～5×10^-2Pa的真空度条件下，以10℃/min升温到200℃保温10分钟，再以10℃/min升温到400℃保温1h，然后以10℃/min升温到600℃保温10分钟，再以10℃/min升温到800℃保温3h，以10℃/min降温到室温后取出。

10.根据权利要求1、2、4、5、7或9所述的提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法，其特征在于采用酸性磷酸铝粘结剂代替步骤六的硅胶粘结剂。