CN101892398A - 一种陶瓷/铝合金梯度复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的陶瓷/铝合金梯度复合材料的制备方法，将陶瓷颗粒与石墨粉混合均匀分散在预混液内进行球磨得到料浆，采用凝胶注模成型法，将料浆注入模具中搅拌均匀，按照径向或轴向气孔率呈梯度分布的需要，对模具辅以离心或振动成型，随后固化、干燥，得到陶瓷素坯，再排胶烧结后即得空隙呈梯度分布的多孔陶瓷预制体；制作铝-硅-锌合金熔体；在与铝-硅-锌合金熔体接触的预制体表面均匀地涂覆引发剂料浆，在预制体的其它表面涂覆阻生剂料浆，按照预定接触面将预制体与铝-硅-锌合金熔体接触，一起放置在铺有阻生剂料浆的氧化铝坩埚内烧结，清除预制体表面的阻生材料即得。本发明的方法制得的复合材料的陶瓷相和金属相在设定方向连续分布。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种陶瓷/铝合金梯度复合材料的制备方法。
背景技术
陶瓷/铝合金梯度复合材料的组分和性能沿厚度方向呈梯度分布，陶瓷含量高的正面耐高温、耐磨、隔热性好，金属含量高的背面韧性好、导热，能够实现与金属基体的牢固连接，在轻型防护装甲、内燃机的活塞缸套、汽车的刹车盘等方面具有非常好的应用前景。
目前这类材料主要由粉末冶金法、离心铸造法和金属液体熔渗法制备，前两种方法所制备的材料陶瓷相的体积份数一般小于55％，熔渗法制备的材料陶瓷相的体积份数可达75％，但难以进一步提高。还有将粉末冶金法和熔渗法相结合，将铝合金熔体无压渗入陶瓷/铝合金混合坯体中，制得具有多层结构的陶瓷/铝合金梯度复合材料，其陶瓷相含量从90%逐层过渡到10%，然而，由于金属粉的表面钝化而烧结困难，组织不均匀，残留气孔多，影响材料的使用寿命和可靠性。
然而，对于防护装甲板的抗侵彻能力，希望正面陶瓷相的体积份数最大（80%-100%），硬度最高，弹性模量最大；内燃机的活塞、汽车刹车盘等部件的耐磨性能也随着陶瓷相体积份数的增大而增强，因此研究一种新的制备方法，能够满足制造这些场合使用的梯度材料尤为迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷/铝合金梯度复合材料的制备方法，利用该方法制备得到的复合材料中的陶瓷相和金属相，能够根据需要沿径向或轴向实现梯度连续分布，使得最大陶瓷相含量达90%以上。
本发明所采用的技术方案是，一种陶瓷/铝合金梯度复合材料的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、选择SiC、Al2O3或AlN陶瓷颗粒，与石墨粉混合均匀，将陶瓷颗粒和石墨粉分散在预混液内进行球磨得到料浆；
采用凝胶注模成型法，根据所要加工的复合材料的形状，制作相应形状的模具，然后将料浆注入该模具中搅拌均匀，当需要气孔率沿径向由内到外逐步降低时，对模具辅以离心成型，得到沿径向的气孔率呈梯度分布的多孔陶瓷初坯；或者，当需要气孔率沿轴向由上到下逐步降低时，对模具辅以竖直的振动成型，得到沿轴向的气孔率呈梯度分布的多孔陶瓷初坯；
随后将多孔陶瓷初坯在干燥箱内进行固化、干燥，得到多孔陶瓷素坯，再排胶烧结后即得气孔率沿径向或轴向呈梯度分布的多孔陶瓷预制体；
步骤2、根据所要制作的陶瓷/铝合金梯度复合材料中的铝-硅-锌合金的配比含量称取各组分，先将铝、硅组分放入石墨坩埚，在工业加热炉中加热至700℃-750℃，然后再加入锌，充分搅拌混合均匀，得到铝-硅-锌合金熔体；
步骤3、在与铝-硅-锌合金熔体接触的多孔陶瓷预制体表面均匀地涂覆一层引发剂料浆，在多孔陶瓷预制体的其它表面涂覆阻生剂料浆；然后将多孔陶瓷预制体放置在铺有阻生剂料浆的氧化铝坩埚内，将铝-硅-锌合金熔体按照需要的接触面与多孔陶瓷预制体保持接触，烧结时采用的气氛为空气或氮气，升温至1050℃-1250℃，保温10-12h后取出，清除多孔陶瓷预制体表面的阻生材料，即得陶瓷/铝合金梯度复合材料。
本发明的方法，能够使得复合材料中的陶瓷相和金属相沿径向或轴向实现梯度连续分布，最大陶瓷相含量可达90%以上，并且在复合材料的制备过程中无体积收缩，所得复合材料质量轻、导热性能好、耐磨性能优良，步骤简单、操作简便，制作成本低。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的陶瓷/铝合金梯度复合材料的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、选择SiC、Al2O3或AlN陶瓷颗粒中的一种，与石墨粉混合均匀，石墨粉（成孔剂）的粒径不大于60μm，将陶瓷颗粒和石墨粉分散在预混液内进行球磨得到料浆；预混液是以丙烯酰胺（AM）和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）为单体和交联剂，两者体积比为22-18：1，共同溶于去离子水中，得到体积浓度为12%-16%的预混液。
采用凝胶注模成型法，根据所要加工的复合材料的形状，制作相应形状的模具，然后将料浆注入该模具中搅拌均匀，当需要气孔率沿径向由内到外逐步降低时，对模具辅以离心成型，得到沿径向气孔率梯度分布的多孔陶瓷初坯；当需要气孔率沿轴向由上到下逐步降低时，对模具辅以竖直的振动成型，得到沿径向或轴向的气孔率梯度分布的多孔陶瓷初坯，根据陶瓷颗粒和石墨粉比重的不同，利用成型过程中陶瓷颗粒及石墨粉的移动趋势，实现预定的气孔率梯度分布；
随后将多孔陶瓷初坯在干燥箱内进行固化、干燥，得到多孔陶瓷素坯，再排胶烧结后即得气孔率沿设定方向呈梯度分布的多孔陶瓷预制体。
步骤2、根据所要制作的陶瓷/铝合金梯度复合材料中的铝-硅-锌合金的配比含量称取各组分，先将铝、硅组分放入石墨坩埚，在工业加热炉中加热至700℃-750℃，然后再加入锌，充分搅拌混合均匀，得到铝-硅-锌合金熔体。
步骤3、在与铝-硅-锌合金熔体接触的多孔陶瓷预制体表面均匀地涂覆一层引发剂料浆，引发剂选用SiO2或ZnO；在多孔陶瓷预制体的其它表面涂覆阻生剂料浆，所使用的阻生剂是Al2O3与CaSO4的混合物，两者质量比为1：4-6、或者是SiO2与CaSO4的混合物，两者质量比为1：4-6；然后将多孔陶瓷预制体放置在铺有阻生剂料浆的氧化铝坩埚内，将铝-硅-锌合金熔体按照需要的接触面与多孔陶瓷预制体保持接触，烧结时采用的气氛为空气或氮气，升温至1050℃-1250℃，保温10-12h后取出，清除多孔陶瓷预制体表面的阻生材料，即得陶瓷/铝合金梯度复合材料。
当多孔陶瓷预制体为圆筒形或圆环形时，采用多孔陶瓷预制体中倒入铝-硅-锌合金熔体的接触方式烧结，保证陶瓷相含量沿径向按照内低外高的梯度变化；当多孔陶瓷预制体为圆柱体或圆片形时，采用多孔陶瓷预制体圆柱体气孔率高的一端面向下与铝-硅-锌合金熔体接触的方式烧结，使陶瓷相含量从下到上按照从低到高的梯度变化。
实施例1
制备圆筒状陶瓷/铝合金梯度复合材料
步骤1、以SiC为陶瓷原料，与石墨粉混合均匀后分散在预混液中，球磨后得到料浆，将料浆注入预先制备的圆筒状模具中搅拌均匀，将圆筒状模具进行离心成型。随后放入干燥箱内，固化、干燥后得到陶瓷素坯，排胶烧结后即得气孔率呈梯度分布的圆筒状多孔陶瓷预制体，由内到外气孔率逐步降低。预混液是以丙烯酰胺和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为单体和交联剂，其体积比为22：1，溶于去离子水得到体积浓度为12%预混液。
步骤2、按照铝-硅-锌合金为Al-9Si-6Zn的配比含量称取各组分，先将铝硅组分放入石墨坩埚，在工业加热炉中加热至700℃，然后加入锌，充分搅拌合金液，使各组分混合均匀，得到铝-硅-锌合金熔体。
步骤3、在圆筒状多孔陶瓷预制体圆筒内侧均匀涂覆一层ZnO料浆，在圆筒外侧表面涂覆Al2O3与CaSO4混合物料浆，两者质量比例为1：6，然后将圆筒状多孔陶瓷预制体放置在铺有Al2O3与CaSO4混合物料浆的氧化铝坩埚内，在圆筒内倒入铝-硅-锌合金熔体，随后升温至1250℃，保温10h取出，整个过程在氮气中进行，然后清除预制体外表面的阻生材料薄层，即得陶瓷相含量内低外高的复合材料，经测试外侧的陶瓷相最大含量大于90%。
实施例2
制备圆柱状陶瓷/铝合金梯度复合材料
步骤1、以Al2O3为陶瓷原料，与石墨粉混合均匀后分散在预混液中，球磨后，将料浆注入圆柱状模具中搅拌均匀，将圆柱状模具进行振动成型。随后放入干燥箱内，固化、干燥后得到陶瓷素坯，排胶烧结后即得气孔率呈梯度分布的圆柱状多孔陶瓷预制体，由上到下气孔率逐步降低。预混液是以丙烯酰胺和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为单体和交联剂，其体积比为20：1，溶于去离子水，得到体积浓度为15%的预混液。
步骤2、按照铝-硅-锌合金为Al-5Si-3Zn的配比含量称取各组分，先将铝硅组分放入石墨坩埚，在工业加热炉中加热至750℃，然后加入锌，充分搅拌合金液，使各组分混合均匀，得到铝-硅-锌合金熔体。
步骤3、在圆柱状预制体气孔率高的一端面（下端面）均匀涂覆一层SiO2料浆，在其他表面涂覆SiO2与CaSO4混合物料浆，两者质量比例为1：4，然后将圆柱状预制体安置在铺有SiO2与CaSO4混合物料浆的氧化铝坩埚内，向坩埚内倒入铝-硅-锌合金熔体，将圆柱状预制体气孔率高的一端面（下端面）向下与铝-硅-锌合金熔体接触，随后升温至1050℃，保温12h取出，整个过程在空气中进行，然后清除预制体表面的阻生材料薄层，即得陶瓷相含量呈梯度分布（从上到下陶瓷相含量从高到低）的复合材料，经测试，所得复合材料圆柱上表面的陶瓷相最大含量大于90%。
实施例3
制备圆环状陶瓷/铝合金梯度复合材料
步骤1、以AlN为陶瓷原料，与石墨粉混合均匀后分散在预混液中，球磨后将料浆注入圆环状模具中搅拌均匀，将圆环状模具进行离心成型。随后放入干燥箱内，固化、干燥后得到陶瓷素坯，排胶烧结后即得气孔率呈梯度分布的圆环状多孔陶瓷预制体，由内到外气孔率逐步降低。预混液是以丙烯酰胺和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为单体和交联剂，其体积比为18：1，溶于去离子水，得到体积浓度为16%的预混液。
步骤2、按照铝-硅-锌合金为Al-7Si-4Zn的配比含量称取各组分，先将铝硅组分放入石墨坩埚，在工业加热炉中加热至720℃，然后加入锌，充分搅拌合金液，使各组分混合均匀，得到铝-硅-锌合金熔体。
步骤3、在圆环状预制体的圆环内侧均匀涂覆一层ZnO料浆，在圆环外侧表面涂覆Al2O3与CaSO4混合物料浆，两者质量比例为1：5，然后将圆环状多孔陶瓷预制体放置在铺有Al2O3与CaSO4混合物料浆的氧化铝坩埚内，在圆环内倒入铝-硅-锌合金熔体，随后升温至1150℃，保温11h，整个过程在氮气中进行；取出然后清除预制体外表面的阻生材料薄层，即得陶瓷相含量内低外高的复合材料样品，外侧的陶瓷相最大含量大于90%。
本发明的方法，采用熔融金属的原位氧化或氮化技术制备陶瓷/铝合金梯度复合材料，实现陶瓷相含量的最大化；采用多孔陶瓷作为熔融金属原位氧化或氮化的预制体骨架，使得陶瓷/铝合金界面处于无应力状态，能够制备大型的复杂形状的复合材料工件；利用石墨粉与陶瓷颗粒体积密度的差别，借助离心或振动的凝胶注模成型，实现多孔陶瓷预制体内空隙呈梯度分布。
与现有技术相比，本发明的优点是，在复合材料制备过程中无体积收缩，成本低，所得复合材料的陶瓷相和金属相在径向或轴向连续分布，最大陶瓷相含量可达90%以上，该复合材料质量轻、导热性能好、耐磨性能优良。
Claims (6)
1.一种陶瓷/铝合金梯度复合材料的制备方法，其特征在于：按照以下步骤实施：
步骤1、首先，选择SiC、Al2O3或AlN陶瓷颗粒，与石墨粉混合均匀，将陶瓷颗粒和石墨粉分散在预混液内进行球磨得到料浆；
再采用凝胶注模成型法，根据所要加工的复合材料的形状，制作相应形状的模具，然后将料浆注入该模具中搅拌均匀，当需要气孔率沿径向由内到外逐步降低时，对模具辅以离心成型，得到沿径向的气孔率呈梯度分布的多孔陶瓷初坯；或者，当需要气孔率沿轴向由上到下逐步降低时，对模具辅以竖直的振动成型，得到沿轴向的气孔率呈梯度分布的多孔陶瓷初坯；
然后，将多孔陶瓷初坯在干燥箱内进行固化、干燥，得到多孔陶瓷素坯，再排胶烧结后即得气孔率沿径向或轴向呈梯度分布的多孔陶瓷预制体；
步骤2、根据所要制作的陶瓷/铝合金梯度复合材料中的铝-硅-锌合金的配比含量称取各组分，先将铝、硅组分放入石墨坩埚，在工业加热炉中加热至700℃-750℃，然后再加入锌，充分搅拌混合均匀，得到铝-硅-锌合金熔体；
步骤3、在与铝-硅-锌合金熔体接触的多孔陶瓷预制体表面均匀地涂覆一层引发剂料浆，在多孔陶瓷预制体的其它表面涂覆阻生剂料浆；然后将多孔陶瓷预制体放置在铺有阻生剂料浆的氧化铝坩埚内，将铝-硅-锌合金熔体按照需要的接触面与多孔陶瓷预制体保持接触，烧结时采用的气氛为空气或氮气，升温至1050℃-1250℃，保温10-12h后取出，清除多孔陶瓷预制体表面的阻生材料，即得陶瓷/铝合金梯度复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨粉的粒径不大于60μm。
3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的预混液，以丙烯酰胺和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为单体和交联剂，两者的体积比为22-18：1，共同溶于去离子水中，得到体积浓度为12%-16%的预混液。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂选用SiO2或ZnO。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阻生剂选用Al2O3与CaSO4的混合物，Al2O3与CaSO4的质量比为1：4-6；或选用SiO2与CaSO4的混合物，SiO2与CaSO4的质量比为1：4-6。
6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，当多孔陶瓷预制体为圆筒形或圆环形时，采用多孔陶瓷预制体中倒入铝-硅-锌合金熔体的接触方式烧结，使得陶瓷相含量沿径向按照内低外高的梯度变化；当多孔陶瓷预制体为圆柱体或圆片形时，采用多孔陶瓷预制体圆柱体气孔率高的一端面向下与铝-硅-锌合金熔体接触的方式烧结，使得陶瓷相含量从下到上按照从低到高的梯度变化。
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