CN103692721B - 一种耐磨抗热震复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高抗热震材料，尤其涉及一种耐磨抗热震复合材料及其制备方法。所述复合材料包括基体和涂覆在表面的包覆层，制备方法如下：基体A356复合材料的制备：对基体进行喷砂处理；包覆材料的制备：将石英粉45%，氧化铝5%，膨胀珍珠岩5%，高岭土2%，耐高温填料9-10%混合均匀，再与无机粘合剂32%调和在一起，然后加入增强纤维1-2%，在室温下混合搅拌均匀，制得包覆材料；将制备的包覆材料均匀的涂覆在基体表面，包覆层厚度为2--3mm，在室温下自然干燥24h后对其缓慢升温固化。本发明提供了一种能大幅度提高材料抗热震性能且保证A356铝基复合材料优良力学性能的方法。可广泛应用于电子元器件·磁性材料·粉末冶金等行业，甚至于航天领域。

Description

一种耐磨抗热震复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高抗热震材料，尤其涉及一种耐磨抗热震复合材料及其制备方法。

背景技术

高抗热震材料具有耐高温，高强度和低热膨胀系数特点，适用于高温结构部件，航天材料，高温观察窗，高温催化剂载体及过滤器，陶瓷坩埚，热交换器等高新技术材料制造领域；随着我国现代高新技术产业和航空航天工业的快速发展,对高抗热震材料的需求愈来愈迫切，对其抗热震性能也有了更高的要求。

国内现在申请的具备优良抗热震性能材料的专利，大都为陶瓷基体，比如氧化锆陶瓷基抗热震材料，氧化钇陶瓷基抗热震材料等，而金属基体的抗热震复合材料所申报的专利很少，尤其是在铝基复合材料方面，所申报的专利更少，且现有的专利大部分都只注重改变复合金属的硬度，强度等性能，而忽视了抗热震性能，可以说这一领域的专利还是很空缺的，而铝基较其他金属基体材料更为经济实惠，且原材料易取，所以很有必要研究出能以金属特别是以铝为基体的具有良好抗热震性能的材料；检索发现，公开号为CN101269959A的专利中，虽然提供了一种具有抗热震性能的致密氧化锆的制备方法，同时也借由实验验证了其耐腐性的力学性能，但其耐磨性并未得以验证，而材料的耐磨性对于材料的使用寿命有着很大的影响，这也直接影响其所能带来的经济效益的多少，因此本专利通过对材料表面镀膜的简易操作，在不降低材料抗热震性能的前提下，进一步提高了材料本身的耐磨性能，从而大大延长了材料的使用寿命。

对于A356铝基复合材料材料而言，虽然材料的硬度较大，但材料的抗热震性较差；而SiC铝基复合材料的抗热震性能有较大幅度提高，具体表现为由热震所引起的材料强度衰减幅度减小，材料的抗热震断裂参数常用:

$R=\frac{R_f(1-L)}{A\·E}$

来表示，R_f为材料强度，L为泊松比，A为热膨胀系数，E为弹性模量，K为导热系数；SiC具有较低的热膨胀系数A，较低的弹性模量E，因此从一定程度上改善了材料的抗热震性。

常温状态下防腐表面涂层材料种类很多，但在高温尤其是高低温交替的情况下，有机防腐涂层会迅速老化，失去原有作用，但若改用无机材料，又会使得涂层太脆，使得材料的抗热震性能更差，因此有必要研发一种表面涂层材料，使得在高温条件下，既有较高的力学性能，又能不降低甚至提高材料的抗热震等性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种保持A356铝良好力学性能，并较大提升材料整体抗热震性能及耐磨性能的方法。

本发明所述的耐磨的抗热震铝基复合材料，其制备的原辅材料包括下述物料，按质量百分比计算为：1：基体：SiC晶须20%,A356铝80%；2：膜层：石英粉45%，无机粘合剂32%，氧化铝5%，膨胀珍珠岩5%，高岭土2%，耐高温填料9-10%，增强纤维1-2%，其中：膜层中耐高温填料最好为10%，增强纤维最好保持在1%，这样对材料抗热震性能提升最为有效。3：喷剂：纯净的亚硝酸钠和碳酸钠，乳化剂(质量百分浓度平平加25%，聚二乙醇13%，油酸17%，三乙醇胺45%）。

所述的无机粘合剂由质量分数为28%的固化剂和72%的基胶组成：固化剂为氧化镁，基胶为磷酸二氢铝与硅酸钠质量比1：3.3的的混合物。

所述的耐高温填料为硫酸钡。

所述的增强纤维为钛酸钾纤维。

制备步骤如下：

（1）A356复合材料的制备：SiC晶须的加入量为20%，A356铝80%，粉料经球磨均匀后热压烧结成型，烧结温度为1800℃,压力为39.2MPa，保温40min，将热压所得块状样切割规整的长方体试样并经精磨处理；

（2）称取亚硝酸钠和碳酸钠，配成质量百分浓度为0.4%NaNO₂和0.2%Na₂CO₃混合水溶液，再加入一定量的乳化剂，配成乳化剂的质量百分浓度为0.8%的混合液；溶液配好后，将干燥、清洁并经过5目筛筛选的石英砂，用竹筐装好，浸入混和溶液中，搅拌水溶液，待石英砂全部浸湿后,即可装入喷砂罐，以0.4MPa的压缩空气为动力，使用10mm的钢制喷头或特制陶瓷喷头，在喷射角为65°的条件下对A356复合材料机体进行喷砂处理。

（3）包覆材料的制备：将石英粉45%，氧化铝5%，膨胀珍珠岩5%，高岭土2%，耐高温填料9-10%混合均匀，再与无机粘合剂32%调和在一起，然后加入长度为0.1-10mm增强纤维1-2%，在室温下混合搅拌均匀，制得包覆材料。

（4）将步骤（3）制备的包覆材料均匀的涂覆在步骤（2）所制得的A356复合材料表面，包覆层厚度为2--3mm，在室温下自然干燥24h后对其缓慢升温固化，固化过程为：50℃固化24h，80℃固化24h，150℃固化24h。

所述步骤（1）中，试样所用A356铝颗粒直径为100-500μm，SiC晶须的平均直径均为1μm。

本发明具有如下积极效益：涂层的制备方法简便，易于操作，且制得的包裹材料硬度较大，抗热震性能优良；涂层耐磨性能优异且具有良好的抗热震效果，及时在高热震情况下涂层受到轻微破环，内部的SiC铝基复合材料也能很好的抵抗热震带来的破环，并且具备更高的硬度，使得材料非常耐磨，极大的延长的材料的使用年限，而且极大的拓展了铝基复合材料的应用范围。

具体实施方式

实例一：

1：SiC晶须的加入量为20%，A356铝加入量为80%，粉料经球磨均匀后热压烧结成型，烧结温度为1800℃，压力为39.2MPa。保温40min，将热压所得块状样切割规整的长方体试样并经精磨处理。

2:取一敞口容器,盛入一定量的清水,加入亚硝酸钠和碳酸钠,配成浓度为0.4%NaNO₂和0.2%Na₂CO₃混合溶液，再加入一定量的乳化剂(25%平平加，13%聚二乙醇，17%油酸，45%三乙醇胺），最后配成乳化剂的质量百分浓度为0.8%的混合液；溶液配好后,将干燥、清洁并经过筛选的石英砂(全部过5目筛),用竹筐装好,浸入混和溶液中,搅拌水溶液,待石英砂全部浸湿后,即可装入喷砂罐,以0.4MPa的压缩空气为动力，使用10mm的钢制喷头或特制陶瓷喷头，在喷射角为65°的条件下对A356复合基体进行喷砂处理。

3：将石英粉(45%)，氧化铝(5%)，膨胀珍珠岩(5%)，高岭土(2%)，耐高温填料(10%)，按比例混合均匀，再与无机粘合剂调(32%)和在一起，然后加入长度为10mm的增强纤维（1%)，在室温下混合搅拌均匀，制得包覆材料。

4:将步骤（3）制备的包覆材料均匀的涂覆在步骤（2）所制得的A356复合材料表面，厚度为3mm，在室温下自干24h后对其缓慢升温固化，固化过程为：50℃固化24h，80℃固化24h，150℃固化24h。

实施例1所得制品在室温条件下，经旋转摩擦砂轮磨耗涂层表面1min，表面涂层材料磨损量极小，失重小于0.001g，后又迅速放入400℃马弗炉中，停留30min后，迅速转入始终冷却1h后再次放入马弗炉中，如此循环多次后，测试其抗弯强度，并与刚制备所得的材料的抗弯强度作比较，发现经过20次以上循环后材料涂层大致完好，抗弯强度下降25%左右，内部SiC铝基复合材料完好无损。

实例二：

1：SiC晶须的加入量为20%，A356铝加入量为80%。粉料经球磨均匀后热压烧结成型，烧结温度为1800℃，压力为39.2MPa，保温40min，将热压所得块状样切割规整的长方体试样并经精磨处理。

2：取一敞口容器,盛入一定量的清水，加入亚硝酸钠和碳酸钠,配成浓度为0.4%NaNO₂和0.2%Na₂C0₃混合溶液,再加入一定量的乳化剂(25%平平加，13%聚二乙醇，17%油酸，45%三乙醇胺），最后配成乳化剂的质量百分浓度为0.8%的混合液；溶液配好后,将干燥、清洁并经过筛选的石英砂(全部过5目筛),用竹筐装好，浸入混和溶液中,搅拌水溶液，待石英砂全部浸湿后,即可装入喷砂罐，以0.4MPa的压缩空气为动力，使用10mm的钢制喷头或特制陶瓷喷头，在喷射角为65°的条件下对A356复合机体进行喷砂处理。

3：将石英粉(45%)，氧化铝(5%)，膨胀珍珠岩(5%)，高岭土(2%)，耐高温填料(9.6%)，按比例混合均匀，再与无机粘合剂调(32%)和在一起，然后加入长度为0.1mm的增强纤维（1.4%)，在室温下混合搅拌均匀，制得包覆材料。

4:将步骤（3）制备的包覆材料均匀的涂覆在步骤（2）所制得的A356复合材料表面，厚度为3mm，在室温下自干24h后对其缓慢升温固化，固化过程为：50℃固化24h，80℃固化24h，150℃固化24h。

实施例2所得制品在室温条件下，经旋转摩擦砂轮磨耗涂层表面1min，表面涂层材料磨损量极小，失重率小于0.001g，后又迅速放入400℃马弗炉中，停留30min后，迅速转入清水冷却1h后再次放入马弗炉中，如此循环多次后，测试其抗弯强度，并与刚制备所得的材料的抗弯强度作比较，发现经过20次以上循环后材料涂层大致完好，抗弯强度金下降35%左右，内部SiC铝基复合材料完好无损。

实施效果：

本专利所制备的内层金属基材料，经SiC增强后的A356铝的强度提高到了710MPa，耐磨性能非常优异。在单次热震条件下,基体A356铝在热震温差为250℃时,材料强度保持率仅为26%左右，而对SiC增强后的A356铝而言,温差高达800℃时,材料强度仍没有明显衰减的现象；所研制的包覆涂层经25次热震后，抗弯强度保持率达到70%以上，且导热性能良好，有助于热流传递，从而降低材料内部的温度梯度和热应力，这就使得材料的整体抗热震性能又得到了进一步的提升，且具有较为优异的耐磨性能。

Claims (6)

1.一种耐磨抗热震复合材料，所述复合材料包括基体和涂覆在基体表面的包覆层；按质量百分比计算，所述的包覆层组成为：石英粉45％，无机粘合剂32％，氧化铝5％，膨胀珍珠岩5％，高岭土2％，耐高温填料9-10％，增强纤维1-2％；其特征在于：所述基体的组成为：SiC晶须20％，A356铝80％；所述包覆层厚度为2--3mm；所述的无机粘合剂由质量分数为28％的固化剂和72％的基胶组成：固化剂为氧化镁，基胶为磷酸二氢铝与硅酸钠质量比1：3.3的混合物；所述的耐高温填料为硫酸钡；所述的增强纤维为钛酸钾纤维。

2.如权利要求1所述的一种耐磨抗热震复合材料，其特征在于：所述耐高温填料为10％，增强纤维为1％。

3.如权利要求1所述的一种耐磨抗热震复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)作为的基体A356复合材料的制备：

(2)对A356复合材料基体进行喷砂处理；

(3)包覆材料的制备：将石英粉45％，氧化铝5％，膨胀珍珠岩5％，高岭土2％，耐高温填料9-10％混合均匀，再与无机粘合剂32％调和在一起，然后加入长度为0.1-10mm增强纤维1-2％，在室温下混合搅拌均匀，制得包覆材料；

(4)将步骤(3)制备的包覆材料均匀的涂覆在步骤(2)所制得的A356复合材料表面，包覆层厚度为2--3mm，在室温下自然干燥24h后对其缓慢升温固化。

4.如权利要求3所述的一种耐磨抗热震复合材料的制备方法，其特征在于：所述基体A356复合材料的制备方法如下：SiC晶须的加入量为20％，A356铝80％，粉料经球磨均匀后热压烧结成型，烧结温度为1800℃,压力为39.2MPa，保温40min，将热压所得块状样切割规整的长方体试样并经精磨处理；A356铝的颗粒直径为100-500μm，SiC晶须的平均直径均为1μm。

5.如权利要求3所述的一种耐磨抗热震复合材料的制备方法，其特征在于：所述的对A356复合材料机体进行喷砂处理的方法为：称取亚硝酸钠和碳酸钠，配成质量百分浓度为0.4％NaNO₂和0.2％Na₂CO₃的混合水溶液，再加入一定量的乳化剂，配成乳化剂的质量百分浓度为0.8％的混合液；溶液配好后，将干燥、清洁并经过5目筛筛选的石英砂，用竹筐装好，浸入混和溶液中，搅拌水溶液，待石英砂全部浸湿后，即可装入喷砂罐，以0.4MPa的压缩空气为动力，使用10mm的钢制喷头或特制陶瓷喷头，在喷射角为65°的条件下对A356复合材料机体进行喷砂处理。

6.如权利要求3所述的一种耐磨抗热震复合材料的制备方法，其特征在于：所述固化过程为：50℃固化24h，80℃固化24h，150℃固化24h。