CN102242295A

CN102242295A - 一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法

Info

Publication number: CN102242295A
Application number: CN2011101854087A
Authority: CN
Inventors: 李桂荣; 王宏明; 赵玉涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2031-07-04
Also published as: CN102242295B

Abstract

本发明涉及铝基复合材料，特别涉及一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法。本发明利用微波的选择加热、高效加热以及催化功能，耦合电磁场的搅拌功能，在低温短时条件下制备高体积分数高分散的颗粒增强铝基复合材料。微波频率2.45GHz，功率控制在50~500KW，电磁场磁感应强度在0.01~0.05T为宜。与单一施加电磁场和微波场下合成复合材料相比，合成温度可进一步降低20~30℃，合成时间可减少3~10min，颗粒实际体积分数提高10~20%左右，颗粒在基体中分散性改善。

Description

一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，特别涉及一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料具有高强度、高比模量、耐磨的优点，是新材料研究中的重要组成部分，已经研发使用的复合材料中增强相有三类，包括金属间化合物、陶瓷类及其混杂增强类，典型代表有Al₃Ti、Al₃Zr、AlTiZr、TiB₂、ZrB₂、Al₂O₃等。

对于任何材料来讲，是否能实现产业化的关键在于材料是否具有内驱力，即要求“高效率高性能低污染低成本”；对于颗粒增强铝基复合材料，具体要求为：合成温度低、合成时间短、增强相体积分数可调可控（关键是能实现高体积分数）和基体中的高弥撒分布，这不仅对提高材料综合性能（如强度、韧性、耐磨性等）至关重要，同时也是材料降低成本降低污染，提高性价比和市场竞争力的关键所在。

为实现以上目标，学者进行的相关研究主要有：降低合成温度的方法：主要有①添加助熔剂的方法，中国专利ZL200810234310.4中提出通过添加一种或几种助熔剂来降低复合材料的合成温度，不足之处在于加入的助熔剂会改变反应盐参与反应时的有效组分和反应能力，虽然能起到降低反应温度的作用，但同时对生成颗粒体积分数和颗粒成分和形貌有一定影响；②第二种是催化方法，中国专利201010228666.4提出用纳米石墨改善反应条件，促进反应物生成速度和数量，同样存在石墨组分会干扰颗粒类型和形貌的问题，并未能实现“短时合成、高体积分数和高分散”的目标。

提高颗粒体积分数的方法：主要有①“预制件+真空浸渗法”；中国专利20051

0024032.6提供一种制备高体积分数硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，是采用凝胶注模成型得到预制件，再采用真空反压浸渗制备硅颗粒增强铝基复合材料；中国专利200710177026.3提供一种制备高体积分数SiC颗粒增强铜基复合材料的方法，综合粉末混匀，挤压混炼和注射压力成型，得到预成型坯，然后采用真空无压浸渗法官法得到零部件，仍然存在工序繁琐，制备成本高的问题；中国专利200510011102.4提供的制备高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料，是通过喂料制粒注射成型的方法得到预成型坯料烧结，再采用N₂气氛下采用无压熔渗方法制备复合材料零件，这三个专利提供的方法都有以下不足之处：工序较繁琐，制备成本高。

专利200610088369.8提供一种制备高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料的方法，是在18~26wt%Si含量的铝硅合金熔体中加入反应物，限定体系是Zr-B-O体系，合成温度在850~950℃之间，反应时间20~40min，颗粒理论体积分数计算为30~50%，该方法中存在的主要不足之处在于：①合成温度高达850~950℃，较铝熔点高180~280℃，高过热条件增加了制备中的能耗，也不利于颗粒分散，所以通过各种途径降低复合材料合成温度，对推动铝基原位复合材料的产业化有重要意义；②反应时间20-40min，较长，高温复合熔体长时间处于无保护冶炼环境，既增加了铝的损耗，也加大了铝的吸气量，对于高密度颗粒容易发生沉降，比如ZrB₂（密度5.8×10³kg/m³）、TiB₂（密度4.5×10³kg/m³）等硼化物颗粒；③设计理论体积分数为30~50%，但因制备工艺限制，实际体积分数远不到设计理论体积分数。

关于电磁场下合成复合材料，专利200810234979.3提供一种工业规模连续化生产颗粒增强金属基复合材料的方法，即在复合材料原位合成过程中采用旋转磁场与行波磁场组合下合成制备颗粒增强金属基复合材料熔体，该方法制备的复合材料颗粒增强相分布均匀、细化，内部组织致密无疏松、缩孔等组织缺陷，但是起不到降低反应温度、缩短合成时间、明显提高颗粒体积分数的作用。

微波一种高频电磁波, 其频率范围为0.3～300GHz。微波烧结过程中，热量的产生来自于材料自身与微波的耦合，而非来自于外加热源的热传递，因此微波加热是一种体积加热，由于大多数陶瓷材料和无机盐对微波具有很好的吸收能力，但是金属材料导电率高，会对微波造成屏蔽；从目前文献看，微波作为一种物理场主要应用在陶瓷烧结、粉末冶金领域，微波烧结是利用电介质在高频电场中的介质损耗，将微波能转化为热能而对材料进行烧结的材料加工方法。

发明内容

本发明提供一种新技术，即在复合材料合成过程中同时施加电磁场和微波场，耦合利用电磁场力效应和热效应以及微波催化功能，同时起到降低合成温度、缩短反应时间、提高体积分数和促进弥散分布的作用。

本发明在电磁场成复合材料的基础上耦合微波场，是在电磁场热效应力效应发挥功能已有的增加颗粒实际收得体积分数和高分散的优势下，进一步降低合成温度、缩短合成时间、提高实际体积分数和促进颗粒在熔体中分散的效果；单一施加电磁场只能起到提高颗粒体积分数和促进分散的作用，在降低合成温度和缩短反应时间方面效果不够明显；单一施加微波场，因为金属熔体对微波吸收能力弱，换言之是有屏蔽作用，所以微波只能对高微波吸收效能的参与反应的无机盐和生成陶瓷类颗粒有作用效果，起到降低合成温度、缩短反应时间、提高颗粒体积分数和促进分散的作用和的功效；在电磁场和微波场耦合合成时，电磁场的热效应和微波场的热效应耦合后强度提高，辅以电磁场的力效应，使得复合材料的反应合成温度大幅减低、合成时间大幅缩短、颗粒体积分数大幅提高、颗粒在基体中分散度大幅提高，较单一施加电磁场和单一施加微波场的实施效果明显改善。

本发明提供一种方法，在电磁场合成复合材料的基础上，利用微波高效加热、选择加热以及催化功能，并选择适合无机盐反应物时，可在低于常规合成温度条件下制备铝基复合材料，同时合成时间缩短，颗粒体积分数增加，颗粒分散好。主要包括以下内容：

将铝熔体放入微波炉中，微波频率固定在2.45GHz，根据金属量和反应物量调整微波加热功率，调控范围在50~500KW，随熔体量增加而增加，同时启动电磁搅拌装置，设定磁场参数，主要是磁感应强度，调控范围在0.01~0.05T，随熔体量增加而增加，熔体达到起始合成温度800~910℃后加入合成铝基复合材料常用的无机反应盐后，原位反应开始，经过10~25min后完成原位反应，得到所述的高体积分数高分散铝基复合材料。

所述无机反应盐为氟盐、碳酸盐或硅酸盐。

所述氟盐为氟钛酸钾、氟硼酸钾和/或氟锆酸钾；所述碳酸盐为碳酸锆或碳酸铈等；所述硅酸盐为硅酸锆。

本发明所具有的优点在于：

(1) 合成温度大幅降低；未加任何物理场时，合成温度在850~950℃；单独施加电磁场时，起不到降低合成温度的作用；单独施加微波场时，合成温度降低10~15℃；耦合施加电磁场和微波场时，合成温度降低40~50℃，较单一施加电磁场和微波场时合成温度降低25~40℃，耦合场对降低反应温度的效果非常明显；分析认为是微波的高效加热、催化效应耦合磁场的热效应所致。

(2) 反应时间大幅缩短；未加任何物理场时，反应时间在20~40min，单独施加电磁场时，反应时间缩短1~5min；单独施加微波场时，反应时间缩短5~10min；耦合施加电磁场和微波场时，反应时间缩短10~15min；分析认为是微波的催化效应耦合磁场的热效应和搅拌力效应所致。

(3) 增强相体积分数大幅增加；设定计算理论体积分数V时不考虑反应盐的损失，计算颗粒实际收得量时，是将基体金属用酸腐蚀后，保留未腐蚀样品即为颗粒，称重后根据颗粒密度计算体积（特别注明：颗粒体积分数不是直接从组织图上获得的）；在合成高体积分数复合材料时，设定颗粒相的理论体积分数V=

30%~60%；未加任何物理场时，颗粒实际体积分数为0.5~0.6V（0.5~0.6是颗粒收得比例，即颗粒实际收得体积分数/理论体积分数）；单独施加电磁场时，颗粒实际体积分数为0.6~0.7V；单独施加微波场时，颗粒实际体积分数为0.65~0.75V；

耦合施加电磁场和微波场时，颗粒实际体积分数为0.8~0.9V，分析认为是电磁场的力效应促进了传热传质，加强了微波的选择加热和对原位反应的催化效应。

(4) 增强相在基体中分散度提高；取放大倍数为1000的典型扫描电镜图中增强相分散效果来对比分散性，结果为：耦合施加电磁场和微波场＞单独施加电磁场＞单独施加微波场＞不施加任何物理场。

综合分析认为：在铝基原位复合材料合成过程中，耦合施加电磁场和微波场，较不施加物理场、施加单一电磁场或微波场的效果都要好。

附图说明

图1 不同制备条件下TiB₂p/Al复合材料的组织图（放大5000倍）；

图2不同制备条件下Al₂O₃₂p/Al复合材料的组织图（放大10000倍）；

图3不同制备条件下AlTiZrp/Al复合材料的组织图（放大1000倍）；

（a）无任何物理场；（b）单独施加电磁场；(c)单独施加微波场；（d）施加电磁微波耦合场。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例一：不同外场施加条件下制备TiB ₂ 颗粒增强铝基复合材料。

选择Al-K₂TiF₆-KBF₄作为反应组元原料，增强颗粒相是TiB₂；反应物Al、K₂TiF₆和KBF₄的配加量分别为500g、30g和50g，不考虑反应盐的损失，颗粒理论体积分数为20vol%，烘干称量K₂TiF₆、KBF6反应盐，用铝箔包好待用。

在耦合电磁场和微波场下制备复合材料的操作过程为：将熔融铝液置入微波炉中，微波辐射频率2.45GHz，功率100kW，同时启动电磁场装置，B=0.015T；将反应盐加入铝液中，原位反应迅速发生，30min后结束合成反应。合成结束后关闭微波和电磁场，浇注金属模，制取铸态金相试样。

表1列出四种实验条件和物理场参数，以及制备材料时的物理场参数、反应温度、合成时间、颗粒实际体积分数和分散性评价；图1列出四种实验条件下的扫描电镜组织图，主要是表征颗粒分散性以及颗粒实际体积分数。

表1 不同条件下制备TiB₂颗粒增强铝基复合材料的工艺参数和组织特征

实施例二：不同外场施加条件下制备Al ₂ O ₃ 颗粒增强铝基复合材料。

选择Al-Ce₂(CO₃)₂作为反应组元，生成增强颗粒种类是亚微米Al₂O₃，反应物Al和Ce₂(CO₃)₂的配加量分别为1000g和400g，不考虑反应盐的损失，颗粒理论体积分数为15vol.%；烘干称量Ce₂(CO₃)₂反应盐，用铝箔包好待用。

在耦合电磁场和微波场下制备复合材料的操作过程为：将熔融铝液置入微波炉中，微波辐射频率2.45GHz，功率250kW，同时启动电磁场装置，B=0.03T。将反应盐加入铝液中，原位反应迅速发生，18min后结束合成反应；合成结束后关闭微波和电磁场，浇注金属模，制取铸态金相试样。

表2列出四种实验条件和物理场参数，以及制备材料时的物理场参数、反应温度、合成时间、颗粒实际体积分数和分散性评价；图2列出四种实验条件下的扫描电镜组织图，主要是表征颗粒分散性以及颗粒实际体积分数。

表2 不同条件下制备Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的工艺参数和组织特征

实施例三：不同外场施加条件下制备AlTiZr_p/A铝基复合材料。

选择Al-K₂TiF₆-K₂ZrF₆作为反应组元，增强相是AlTiZr颗粒，反应物Al、K₂TiF₆和K₂ZrF₆配加量分别为2000g、120g和130g，不考虑反应盐的损失，颗粒理论体积分数为30vol.%；烘干称量反应盐 K₂TiF₆和K₂ZrF₆，用铝箔包好待用。

在耦合电磁场和微波场下制备复合材料的操作过程为：将熔融铝液置入微波炉中，微波辐射频率2.45GHz，功率450kW，同时启动电磁场装置，B=0.045T，将反应盐加入铝液中，原位反应迅速发生，10min后结束合成反应，合成结束后关闭微波和电磁场，浇注金属模，制取铸态金相试样。

表3列出四种实验条件和物理场参数，以及制备材料时的物理场参数、反应温度、合成时间、颗粒实际体积分数和分散性评价；图3列出四种实验条件下的扫描电镜组织图，主要是表征颗粒分散性以及颗粒实际体积分数。

表3 不同条件下制备AlTiZr颗粒增强铝基复合材料的工艺参数和组织特征

Claims

1.一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法，其特征在于：将铝熔体放入微波炉中，同时施加微波场和电磁场，待熔体达到起始合成温度后加入合成铝基复合材料常用的无机反应盐后，进行原位反应后关闭微波和电磁场，

得到所述的高体积分数高分散铝基复合材料。

2.如权利要求1所述的一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法，其特征在于：所述微波频率固定在2.45GHz，微波加热功率调控范围在50~5

00KW。

3.如权利要求1所述的一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法，其特征在于：所述电磁场的感应强度的调控范围在0.01~0.05T。

4.如权利要求1所述的一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法，其特征在于：所述起始合成温度为800~910℃；所述原位反应的时间为10~2

5min。

5.如权利要求1所述的一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法，其特征在于：所述无机反应盐为氟盐、碳酸盐或硅酸盐。

6.如权利要求5所述的一种高体积分数高分散铝基复合材料的低温短时制备方法，其特征在于：所述氟盐为氟钛酸钾和氟硼酸钾或氟钛酸钾和氟锆酸钾；所述碳酸盐为碳酸锆或碳酸铈等；所述硅酸盐为硅酸锆。