CN102747254A - 一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料及其制备方法，它涉及一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。本发明要解决现有原位法制备的纳米颗粒增强铝基复合材料的颗粒尺寸很难控制在纳米级别范围之内以及现有的外加法制备的纳米颗粒增强铝基复合材料都是晶界型纳米颗粒增强铝基复合材料，强度、塑性较低的问题。本发明复合材料是由1~10份的纳米陶瓷颗粒和90~99份合金组成。制备方法为:一、称取上述组分，加入占总质量0.6%~8%的硬脂酸进行球磨；二、球磨后真空热压烧结成块体；三、将块体进行热挤压变形，得到纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料。本发明制备的复合材料强度高、塑性好。本发明应用于铝基复合材料制备领域。

Description

一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
纳米陶瓷颗粒（如SiC，SiO2，MgO，TiB2，Al2O3，Si3N4和TiC）增强铝基复合材料由于具有优异的力学性能正在得到广泛关注和研究。通常，纳米颗粒增强铝基复合材料制备方法包括原位法和外加法。然而，原位法虽然可以得到晶内型增强相，但是由于反应速度快，温度高，原位合成的颗粒尺寸很难控制在纳米级别范围之内，并且原位法只能合成有限种类的陶瓷颗粒。
一般而言，纳米颗粒可以分布在晶粒内部或者在晶界上，由于其分布的位置不同，其起的作用也截然不同。和晶界上的纳米颗粒作用不同，只有晶粒内的纳米颗粒才能充分发挥Orowan弥散强化机制。此外，晶粒内纳米颗粒比晶界上纳米颗粒更有利于基体的塑性变形。因此，晶内型复合材料是纳米复合材料科学中的最理想的材料。目前，研究外加法制备的纳米颗粒增强铝基复合材料都是晶界型纳米颗粒增强铝基复合材料，强度、塑性较低。
发明内容
本发明要解决现有原位法制备的纳米颗粒增强铝基复合材料的颗粒尺寸很难控制在纳米级别范围之内以及现有的外加法制备的纳米颗粒增强铝基复合材料都是晶界型纳米颗粒增强铝基复合材料，强度、塑性较低的问题，而提供一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料及其制备方法。
本发明的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料按体积份数比由1～10份的纳米陶瓷颗粒和90～99份铝粉或铝合金粉组成。
本发明的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按体积份数称取1~10份的纳米陶瓷颗粒和90~99份的铝粉或铝合金粉；
二、将步骤一中称取的纳米陶瓷颗粒和铝粉或铝合金粉置于球磨罐中，得到混合物，然后加入占混合物质量0.6%~8%的硬脂酸，得到混合粉体，再加入磨球，在氩气保护的条件下，进行球磨，得到球磨粉体；其中，磨球与混合粉体的质量比为20~50:1；
三、将步骤二得到的球磨粉体，真空热压烧结成块体；
四、将步骤三得到的块体在温度为500℃~580℃、挤压比为30~60:1的条件下，进行热挤压变形，得到纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料。
其中，步骤二中所述的磨球由大钢球、中钢球和小钢球三种尺寸的钢球组成；其中大钢球的直径为20~30mm、中钢球的直径为10~15mm、小钢球的直径为3~6mm；大钢球、中钢球和小钢球的数量比为1:3:4；
步骤二中所述的球磨是指：以100~500rpm的转速，球磨20~60h，得到球磨粉体。
步骤三中热压烧结是指：在热压烧结温度为0.8~0.85Tm，压力为20~80MPa的条件下，烧结30~150min；其中，Tm为铝和铝合金的熔点。
本发明的有益效果是：
采用本发明中的高能球磨和热挤压的工艺参数可以避免纳米颗粒易于分布在晶界上的倾向，打碎原始粉末边界和相应边界上团聚而成的纳米颗粒串，实现纳米陶瓷颗粒在金属晶粒内部的均匀分布，从而获得组织和性能俱佳的金属基复合材料。
本发明的方法可以克服原位法合成颗粒的种类限制和其相应尺寸难于控制的缺点，可以通过外加纳米陶瓷颗粒来严格控制增强体的尺寸范围，精确制备出外加纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料。
本发明制备工艺简单，操作方便，可以制备出强度高、塑性好、分布均匀的外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料。与基体相比，强度可以提高200％以上。并且延伸率可以超过10％。本发明用于制备纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
附图说明
图1是实施例一所得的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的透射电镜照片；其中，箭头所指为SiC；
图2是室温拉伸曲线图，其中a曲线代表铝基体的室温拉伸曲线，b曲线代表实施例一所得的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的室温拉伸曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料按体积份数由1~10份的纳米陶瓷颗粒和90~99份合金组成；其中，合金为铝粉或铝合金粉。
本实施方式的方法可以克服原位法合成颗粒的种类限制和其相应尺寸难于控制的缺点，可以通过外加纳米陶瓷颗粒来严格控制增强体的尺寸范围，精确制备出外加纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：陶瓷颗粒为SiC陶瓷、SiO2、MgO、TiB2、Al2O3、Si3N4或TiC。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或二不同的是：陶瓷颗粒的粒径为20~100nm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按体积份数称取1~10份的纳米陶瓷颗粒和90~99份的合金；
二、将步骤一中称取的纳米陶瓷颗粒和合金置于球磨罐中，得到混合物，然后加入占混合物质量0.6%~8%的硬脂酸，得到混合粉体，再加入磨球，在氩气保护的条件下，进行球磨，得到球磨粉体；其中，磨球与混合粉体的质量比为20~50:1；
三、将步骤二得到的球磨粉体真空热压烧结成块体；
四、将步骤三得到的块体在温度为500℃~580℃、挤压比为30~60:1的条件下，进行热挤压变形，得到纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料；其中步骤一和步骤二中所述的合金为铝粉或铝合金粉。
采用本实施方式中的高能球磨和热挤压的工艺参数可以避免纳米颗粒易于分布在晶界上的倾向，实现纳米陶瓷颗粒在金属晶粒内部的均匀分布，从而获得组织和性能俱佳的金属基复合材料。
本实施方式的方法可以克服原位法合成颗粒的种类限制和其相应尺寸难于控制的缺点，可以通过外加纳米陶瓷颗粒来严格控制增强体的尺寸范围，精确制备出外加纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料。
本实施方式制备工艺简单，操作方便，可以制备出强度高、塑性好、分布均匀的外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料。与基体相比，强度可以提高200％以上。并且延伸率可以超过10％。本发明用于制备纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中所述的磨球由大钢球、中钢球和小钢球三种尺寸的钢球组成；其中大钢球的直径为20~30mm、中钢球的直径为10~15mm、小钢球的直径为3~6mm；大钢球、中钢球和小钢球的数量比为1:3:4。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤二中所述的球磨的转速为100~500rpm，时间为20~60h。其它与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤三中热压烧结是指：在热压烧结温度为0.8~0.85Tm，压力为20~80MPa的条件下，烧结30~150min；其中，Tm为铝或铝合金的熔点。其它与具体实施方式四至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按体积份数称取6份粒径为20nm的SiC陶瓷颗粒和94份铝粉；
二、将步骤一中称取的SiC陶瓷颗粒和铝粉置于球磨罐中，得到混合物，然后加入占混合物质量5%的硬脂酸，得到混合粉体，再加入磨球，在氩气保护的条件下，以300rpm的转速，球磨21h，得到球磨粉体；磨球与混合粉体的质量比为30:1；所述磨球由大钢球、中钢球和小钢球三种尺寸的钢球组成，其中大钢球的直径为25mm、中钢球的直径为10mm、小钢球的直径为5mm；大钢球、中钢球和小钢球的数量比为1:3:4。
三、将步骤二得到的球磨粉体，在温度为520℃、压力为50MPa的条件下，真空烧结60min，得到块体；
四、将步骤三得到的块体在温度为540℃、挤压比为30:1的条件下，进行热挤压变形，得到纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
图1是实施例一所得的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的透射电镜照片，从图中可以观察到，大部分纳米颗粒分布在晶粒内部；箭头所示为SiC纳米颗粒；
图2是室温拉伸曲线图，其中a曲线代表铝基体的室温拉伸曲线，b曲线代表实施例一所得的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的室温拉伸曲线。从图中可以得出，纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的塑性达到12％，与铝基体相比，屈服强度和抗拉强度分别提高了284%和259%。

Claims (7)

1.一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料，其特征在于外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料按体积份数由1~10份的纳米陶瓷颗粒和90~99份合金组成；其中，合金为铝粉或铝合金粉。
2.根据权利要求1所述的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料，其特征在于所述的陶瓷颗粒为SiC、SiO2、MgO、TiB2、A12O3、Si3N4或TiC。
3.根据权利要求1或2所述的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料，其特征在于所述的纳米陶瓷颗粒的粒径为20～100nm。
4.如权利要求1所述的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料的制备方法，其特征在于外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按体积份数称取1~10份的纳米陶瓷颗粒和90~99份的合金；
二、将步骤一中称取的纳米陶瓷颗粒和合金置于球磨罐中，得到混合物，然后加入占混合物质量0.6%~8%的硬脂酸，得到混合粉体，再加入磨球，在氩气保护的条件下，进行球磨，得到球磨粉体；其中，磨球与混合粉体的质量比为20~50:1；
三、将步骤二得到的球磨粉体真空热压烧结成块体；
四、将步骤三得到的块体在温度为500℃~580℃、挤压比为30~60:1的条件下，进行热挤压变形，得到纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料；其中步骤一和步骤二中所述的合金为铝粉或铝合金粉。
5.根据权利要求4所述的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的磨球由大钢球、中钢球和小钢球三种尺寸的钢球组成；其中大钢球的直径为20~30mm、中钢球的直径为10~15mm、小钢球的直径为3~6mm；大钢球、中钢球和小钢球的数量比为1:3:4。
6.根据权利要求4或5所述的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的球磨的转速为100~500rpm，时间为20~60h。
7.根据权利要求6所述的一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的热压烧结是指：在热压烧结温度为0.8~0.85Tm，压力为20~80MPa的条件下，烧结30~150min；其中，Tm为铝或铝合金的熔点。
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