CN103895285A - 高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法，为克服复合材料制备成本高、操作繁琐、增强体陶瓷种类单一与强度低的问题。高强度层状Al基金属陶瓷复合材料即高强度层状结构Al-Si-Mg/(Al2O3、SiC、TiC)复合材料包括陶瓷粉与Al-Si-Mg合金。陶瓷粉的体积分数为20%～40vol%；Al-Si-Mg合金体积分数为80%～60vol%，Al-Si-Mg合金中所含铝的质量比为75～84wt%，所含硅的质量比为10～15wt%，所含镁的质量比为6～10wt%。高强度层状Al基金属陶瓷复合材料的制备方法为：水基陶瓷浆料的配制；定向凝固；冷冻干燥；坯体的烧结；合金的熔炼；无压浸渗。
Description
技术领域
本发明涉及新材料制备领域的材料及其制备方法，更确切地说，本发明涉及高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
金属基复合材料具有高的比强度、比模量，良好的耐磨、耐热性、导电性、导热性及低的热膨胀系数，广泛应用于航空航天、汽车机械、电子工业以及国防军工等领域，但由于脆性陶瓷增强体的加入使复合材料的塑性和韧性均有不同程度的下降，而且二次加工困难。为了提高复合材料的强度和韧性，仿造大自然中贝壳的精细层状结构赋予的高强度、高韧性和高抗裂纹阻力，近几年来人们开始关注并制备层状仿贝壳结构复合材料。
层状仿贝壳结构金属基复合材料的制备一般由两个步骤来实现，即层状陶瓷坯体的制备和合金的浸渗。冷冻铸造法（又称冰模板法）是制备仿贝壳层状结构多孔陶瓷最有效的一种方法。美国加州大学Deville等人利用该方法制备了Al2O3多孔陶瓷(Ice-templated porous alumia structure，Acta Materials，2007年55卷6期P1965-1974)。中国发明专利公告号为CN101423378，公告日为2009.05.06，专利号为ZL200810234358.5，发明创造名称为“具有定向孔隙结构多孔陶瓷的制备方法”，发明人为董寅生的专利也曾报道冷冻铸造制备多孔层状陶瓷。但到目前，国内外制备层状结构金属基复合材料的工作尚较为少见。美国Launey等人利用冷冻铸造法获得了Al2O3多孔陶瓷，并通过真空压力浸渗法制备了Al-Si/Al2O3复合材料(A novel biomimetic approach to the design ofhigh-perfrmance ceramic-matal composites，Journal of The Royal SocietyInterface，2010年7卷46期P741-753)。德国Karlsruhe大学的Roy等人通过挤压铸造法将Al-12Si合金渗入到冷冻铸造法制备的多孔Al2O3坯体中，获得了Al-Si/Al2O3层状结构复合材料(Metal/ceramic composites fromfreeze-cast ceramic preforms:Domain structure and elastic properties，Composites Science and Technology，2008年68卷5期P1136-1143)。上述方法的特点是都使用亚微米级（300～700nm）的Al2O3陶瓷颗粒，且均采用压力浸渗的方法将Al-Si合金渗入到冷冻铸造的多孔Al2O3陶瓷坯体中。亚微米级陶瓷粉体价格昂贵，采用压力浸渗法对设备的要求高，经济成本高。从文献检索知，目前国内外尚未见到有利用冷冻铸造法和无压浸渗法制备层状结构金属基复合材料的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的复合材料制备成本高、操作繁琐、增强体陶瓷种类单一、强度低的问题，提供了高强度层状仿贝壳结构的Al-Si-Mg/(Al2O3、SiC、TiC)复合材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料是指高强度层状结构Al-Si-Mg/Al2O3复合材料、高强度层状结构Al-Si-Mg/SiC复合材料与高强度层状结构Al-Si-Mg/TiC复合材料；
高强度层状Al基金属陶瓷复合材料包括陶瓷粉与Al-Si-Mg合金；
高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中陶瓷粉的体积分数为20%～40vol%；Al-Si-Mg合金体积分数为80%～60vol%，Al-Si-Mg合金中所含铝的质量比为75～84wt%，所含硅的质量比为10～15wt%，所含镁的质量比为6～10wt%。
技术方案中所述的陶瓷粉包括固相陶瓷Al2O3粉、固相陶瓷SiC粉与固相陶瓷TiC粉，三种陶瓷粉颗粒直径均为1～10μm。
技术方案中所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中陶瓷层和金属层相间分布，陶瓷层厚度均为20～100μm，合金层厚度为20～100μm。
一种制备高强度层状Al基金属陶瓷复合材料的方法，其步骤如下：
1.水基陶瓷浆料的配制：
将分散剂和粘接剂分别溶于60℃的去离子水溶液中，再和陶瓷Al2O3粉或陶瓷SiC粉或陶瓷TiC粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机球磨12h制成浆料，球磨后的浆料再真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min制成水基陶瓷浆料；
2.定向凝固：
把水基陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-10℃～-30℃的低温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷Al2O3颗粒或陶瓷SiC颗粒或陶瓷TiC颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向分布的冷冻陶瓷Al2O3坯体或冷冻陶瓷SiC坯体或冷冻陶瓷TiC坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷Al2O3坯体或冷冻陶瓷SiC坯体或冷冻陶瓷TiC坯体脱模后迅速放入冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷Al2O3坯体或陶瓷SiC坯体或陶瓷TiC坯体进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为84～75wt%，所述硅的含量为10～15wt%，所述镁的含量为6～10wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
将Al-Mg-Si合金块置于层状多孔陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先将高温炉抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，以5℃/min升温至800～950℃，保温0.5～4h，然后5℃/min冷却至室温，制得高强度层状结构Al基陶瓷复合材料，Al-Mg-Si合金的最高浸渗深度为25mm。
技术方案中所述的分散剂包括有聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸钠与羧甲基纤维素钠；粘接剂采用聚乙烯醇。
技术方案中所述的具有定向分布的冷冻陶瓷Al2O3坯体或冷冻陶瓷SiC坯体或冷冻陶瓷TiC坯体皆为圆柱体，其直径为12～20mm，高度为15～25mm。
技术方案中所述的陶瓷Al2O3坯体或陶瓷SiC坯体或陶瓷TiC坯体进行高温烧结的工艺参数为：0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到预定温度1100～1500℃，保温2～3h。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法采用无压浸渗技术，使得使用1～10μm大小的陶瓷颗粒，制备复合材料成为可能，这是因为微米级颗粒制得的陶瓷坯体不易烧结，压坯强度较低，不能在较大压力下浸渗制备复合材料。另一方面使用微米级颗粒，更易制备出高陶瓷体积分数的原坯和复合材料。而且与亚微米颗粒相比，原材料价格便宜，制造成本低廉；
2.本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法配制浆料所使用的分散剂可选择聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸钠和羧甲基纤维素钠等，拓展了使用高分子有机聚合物作为分散剂的选择范围；
3.本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法采用冷冻铸造法制备多孔陶瓷，应用水基陶瓷浆料，操作简便，环境友好，通过调节水的含量和冷冻温度等参数，可控制陶瓷坯体的孔隙率及孔结构；
4.本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法采用了Al-Si-Mg合金的无压浸渗法，该方法工艺简单，对设备的要求低，能够制备出形状比较复杂的零部件，且制备出来的复合材料几乎可以达到近净成形，大大降低制备和加工成本；
5.参阅图4，本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法制备的A1-Si-Mg/A12O3复合材料中，A12O3含量为30vol%的复合材料纵向最高抗压强度达到1190MPa，为基体合金强度的3.5倍，对应的压缩应变为4.6%；
6.参阅图6，本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法制备的A1-Si-Mg/SiC复合材料中，SiC含量为30vol%的复合材料最高纵向压缩强度达到757MPa，为基体合金强度的2.1倍，对应的压缩应变为4.25%；
7.参阅图8，本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法制备的A1-Si-Mg/TiC复合材料中，TiC含量为30vol%的复合材料纵向最高压缩强度达到1055MPa，为基体合金强度的3.0倍，对应的压缩应变为3.20%。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法的流程框图；
图2是本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中Al2O3含量为30vol%的A12O3陶瓷坯体沿着平行于冰晶生长方向的纵截面扫描电子显微镜照片；
图3是本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中Al2O3含量为30vol%的层状结构A1-Si-Mg/Al2O3金属基复合材料纵截面扫描电子显微镜照片；
图4是本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中Al2O3含量为30vol%的层状结构A1-Si-Mg/Al2O3金属基复合材料压缩应力-应变关系曲线图；
图5是本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料SiC含量为20vol%的层状结构A1-Si-Mg/SiC金属基复合材料纵截面的蔡司光学显微镜照片；
图6是本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料SiC含量为30vol%的层状结构A1-Si-Mg/SiC金属基复合材料压缩应力-应变关系曲线图；
图7是本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中TiC含量为30vol%的层状结构A1-Si-Mg/TiC金属基复合材料纵截面扫描电子显微镜照片；
图8是本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中TiC含量为30vol%的层状结构A1-Si-Mg/TiC金属基复合材料压缩应力-应变关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
本发明所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料即高强度层状结构Al-Si-Mg/(Al2O3、SiC、TiC)复合材料，高强度层状结构Al-Si-Mg/(Al2O3、SiC、TiC)复合材料是指高强度层状结构Al-Si-Mg/Al2O3复合材料、高强度层状结构Al-Si-Mg/SiC复合材料与高强度层状结构Al-Si-Mg/TiC复合材料。
高强度层状Al基金属陶瓷复合材料即高强度层状结构Al-Si-Mg/(Al2O3、SiC、TiC)复合材料包括陶瓷粉、Al-Si-Mg合金、分散剂、粘结剂与60℃的去离子水溶液。其中：陶瓷粉包括固相陶瓷Al2O3粉、固相陶瓷SiC粉与固相陶瓷TiC粉，分散剂包括有聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸钠与羧甲基纤维素钠，粘结剂采用聚乙烯醇。
高强度层状结构Al-Si-Mg/Al2O3复合材料中所形成的陶瓷Al2O3层厚度均为20～100μm，Al-Si-Mg合金层厚度为20～100μm，且可控陶瓷Al2O3体积分数为20%～40vol%，Al-Si-Mg合金体积分数为80%～60vol%。
高强度层状结构Al-Si-Mg/SiC复合材料中所形成的陶瓷SiC层厚度均为20～100μm，Al-Si-Mg合金层厚度为20～100μm，且可控陶瓷SiC体积分数为20%～40vol%，Al-Si-Mg合金体积分数为80%～60vol%。高
高强度层状结构Al-Si-Mg/TiC复合材料中所形成的陶瓷TiC层厚度均为20～100μm，Al-Si-Mg合金层厚度为20～100μm，且可控陶瓷TiC体积分数为20%～40vol%，Al-Si-Mg合金体积分数为80%～60vol%。
三种复合材料所使用的基体Al-Si-Mg合金中所含铝的质量比为75～84wt%，所含硅的质量比为10～15wt%，所含镁的质量比为6～10wt%。在冷冻铸造时配制浆料所使用的三种陶瓷粉颗粒直径均为1～10μm，水基浆料中去离子水体积分数为60%～80vol%，分散剂含量为固相陶瓷粉（Al2O3或SiC或TiC）质量的0.8～2%，粘结剂含量为固相陶瓷粉（Al2O3或SiC或TiC）质量的0.5～2%。
具体方法是将水基陶瓷浆料在低温条件下定向凝固，然后在低温、低压条件下进行干燥处理，再将所得生坯进行高温烧结，得到层状多孔陶瓷坯体。随后把陶瓷坯体和熔炼好的Al-Si-Mg合金一起放入到高温炉中，加热到一定温度，在N2气氛下进行无压浸渗，保温一定时间后冷却，得到层状结构复合材料。
高强度层状结构Al-Si-Mg/(Al2O3、SiC、TiC)复合材料制备方法的步骤如下：
1.水基陶瓷浆料的配制：
将分散剂（聚丙烯酸铵或聚甲基丙烯酸钠或羧甲基纤维素钠）和粘接剂（聚乙烯醇）溶于60℃的去离子水溶液中，再和陶瓷Al2O3或陶瓷SiC或陶瓷TiC粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成陶瓷浆料，其中固相陶瓷（Al2O3或SiC或TiC）粉占整个浆料的体积百分比为20～40%，分散剂含量为固相陶瓷（Al2O3或SiC或TiC）粉质量的0.8～2%，粘结剂含量为固相陶瓷（Al2O3或SiC或TiC）粉质量的0.5～2%，球磨后的浆料再真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，制成水基陶瓷浆料。
2.定向凝固：
把水基陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-10℃～-30℃的低温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（Al2O3或SiC或TiC）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向分布的冷冻陶瓷（Al2O3或SiC或TiC）坯体，冷冻陶瓷坯体为圆柱体，其直径为12～20mm,高度为15～25mm；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（Al2O3或SiC或TiC）坯体脱模后迅速放入冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（Al2O3或SiC或TiC）坯体进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷。所述烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到预定温度1100～1500℃，保温2～3h；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为84～75wt%，所述硅的含量为10～15wt%，所述镁的含量为6～10wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出一定尺寸的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
将长×宽×高为20×20×18mm的Al-Mg-Si合金块置于定向多孔陶瓷坯体上部，一起放入高温炉中，先将高温炉抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，以5℃/min升温至800～950℃，保温0.5～4h，然后5℃/min冷却至室温，制得高强度层状结构Al基陶瓷复合材料，即制得Al2O3高强度层状结构Al基复合材料、SiC高强度层状结构Al基复合材料与TiC高强度层状结构Al基复合材料。层状结构Al-Si-Mg/(Al2O3、SiC、TiC)复合材料中陶瓷层和金属层相间分布，所形成的陶瓷层厚度为20～100μm，Al-Si-Mg合金层厚度为20～100μm。Al-Mg-Si合金的最高浸渗深度为25mm。
实施例1
1.水基陶瓷浆料配制：
以聚甲基丙烯酸钠作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与平均粒径为5μm的陶瓷（Al2O3）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（Al2O3）粉占整个浆料的体积百分比为20%，分散剂含量为固相陶瓷（Al2O3）粉质量的2.0%，粘结剂含量为固相陶瓷（Al2O3）粉质量的2.0%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，制成水基陶瓷（Al2O3）浆料。
2.定向凝固：
把水基陶瓷（Al2O3）浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-30℃的低温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（Al2O3）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向冰晶分布的冷冻陶瓷（Al2O3）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（Al2O3）坯体脱模后迅速放入冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（Al2O3）坯体进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（Al2O3）。所述的陶瓷（Al2O3）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1500℃，保温2h；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为78wt%，所述硅的含量为12wt%，所述镁的含量为10wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至950℃，保温2h，然后以5℃/min冷却，制得Al2O3高强度层状结构Al基复合材料。
实施例2
1.水基陶瓷浆料配制：
以聚甲基丙烯酸钠作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与平均粒径为5μm的陶瓷（Al2O3）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（Al2O3）粉占整个浆料的体积百分比为40%，分散剂含量为固相陶瓷（Al2O3）质量的2.0%，粘结剂含量为固相陶瓷（Al2O3）粉质量的2.0%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，制成水基陶瓷（Al2O3）浆料。
2.定向凝固：
把水基陶瓷（Al2O3）浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-20℃的低温浴中进行定向凝固。水在结冰的过程中，把陶瓷（Al2O3）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向分布的冷冻陶瓷（Al2O3）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（Al2O3）坯体脱模后迅速放入冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（Al2O3）坯体进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（Al2O3）。所述的陶瓷（Al2O3）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1500℃，保温2h。
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为78wt%，所述硅的含量为12wt%，所述镁的含量为10wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至800℃，保温2h。然后以5℃/min冷却至室温，制得Al2O3高强度层状结构Al基复合材料，
实施例3
1.水基陶瓷浆料配制：
以聚甲基丙烯酸钠作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与平均粒径为5μm的陶瓷（Al2O3）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（Al2O3）粉占整个浆料的体积百分比为30%，分散剂含量为固相陶瓷（Al2O3）质量的2.0%，粘结剂含量为固相陶瓷（Al2O3）质量的1%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，最终制成水基陶瓷（Al2O3）浆料。
2.定向凝固：
把水基陶瓷（Al2O3）浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-10℃的低温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（Al2O3）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向分布的冷冻陶瓷（Al2O3）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（Al2O3）坯体脱模后迅速放到冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
参阅图2，把干燥后的陶瓷（Al2O3）坯体进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（Al2O3）。所述的陶瓷（Al2O3）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1500℃，保温2h；陶瓷（Al2O3）坯体沿着平行于冷冻方向的纵截面微观组织形貌如图中2所示，能够看出陶瓷坯体有着明显的层状结构，随着离底部距离的增大，其陶瓷层厚度增大，同时层间距也会增大。
5合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为78wt%，所述硅的含量为12wt%，所述镁的含量为10wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
参阅图3，将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至950℃，保温4h。然后以5℃/min炉冷却至室温，制得SiC高强度层状结构Al基复合材料，经磨平抛光后用扫描电子微镜观察其微观组织形貌，如图中所示，该复合材料具有明显的层状结构。
7.性能测试：
参阅图4，在浸渗好的样品中，沿着平行于冰晶生长的方向切出5×5×10mm的长方块，通过万能电子材料试验机测其压缩性能，其压缩应力-应变关系曲线如图中所示，最高纵向抗压强度达到1190MPa，为基体合金强度的3.5倍，对应的压缩应变为4.6%。
实施例4
1.水基陶瓷浆料配制：
以羧甲基纤维素钠作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与粒径为1～10μm的陶瓷（SiC）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（SiC）粉占整个浆料体积的百分比为20%，分散剂含量为固相陶瓷（SiC）质量的1.5%，粘结剂含量为固相陶瓷（SiC）质量的1.0%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，最终制成水基陶瓷（SiC）浆料。
2.定向凝固：
把水基陶瓷（SiC）浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-20℃的低温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（SiC）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向分布的冷冻陶瓷（SiC）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（SiC）坯体脱模后迅速放入冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（SiC）坯体进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（SiC）。所述的陶瓷（SiC）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1100℃，保温3h；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为84wt%，所述硅的含量为10wt%，所述镁的含量为6wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
参阅图5，将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至800℃，保温4h，然后以5℃/min冷却至室温，制得SiC高强度层状结构Al基复合材料。经磨平抛光后用蔡司光学显微镜观察其微观组织形貌，如图中所示，该复合材料具有明显的层状结构。
实施例5
1.水基陶瓷浆料配制：
以羧甲基纤维素钠作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与粒径为1～10μm的陶瓷（SiC）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（SiC）粉占整个浆料的体积百分比为40%，分散剂含量为固相陶瓷（SiC）质量的1.5%，粘结剂含量为固相陶瓷（SiC）质量的0.5%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，最终制成水基陶瓷（SiC）浆料。
2.定向凝固：
把水基陶瓷（SiC）浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-30℃的低温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（SiC）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向分布的冷冻陶瓷（SiC）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（SiC）坯体脱模后迅速放入冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（SiC）坯体在真空中进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（SiC）。所述的陶瓷（SiC）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1100℃，保温3h；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为84wt%，所述硅的含量为10wt%，所述镁的含量为6wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至850℃，保温3h，然后以5℃/min冷却至室温，制得SiC高强度层状结构Al基复合材料，经磨平抛光后其微观组织形貌如图中所示。
实施例6
1.水基陶瓷浆料配制：
以羧甲基纤维素钠作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与粒径为1～10μm的陶瓷（SiC）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（SiC）粉占整个浆料的体积百分比为30%，分散剂含量为固相陶瓷（SiC）质量的1.5%，粘结剂含量为固相陶瓷（SiC）质量的0.5%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，最终制成水基陶瓷（SiC）浆料。
2.定向凝固：
把水基陶瓷（SiC）浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-10℃的低温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（SiC）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向冰晶分布的冷冻陶瓷（SiC）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（SiC）坯体脱模后迅速放到冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（SiC）坯体进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（SiC）。所述的陶瓷（SiC）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1200℃，保温2h；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为79wt%，所述硅的含量为15wt%，所述镁的含量为6wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至900℃，保温3h，然后以5℃/min冷却至室温，制得SiC高强度层状结构Al基复合材料。
7.性能测试：
参阅图6，在浸渗好的样品中，沿着平行于冰晶生长的方向切出5×5×10mm的长方块，通过万能电子材料试验机测其压缩性能，其压缩应力-应变曲线关系如图中所示。该复合材料最高纵向抗压强度达到757MPa，为基体合金强度的2.1倍，对应的压缩应变为4.25%。
实施例7
1.水基陶瓷浆料配制：
以聚丙烯酸铵作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与粒径为3～6μm的陶瓷（TiC）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（TiC）粉占整个浆料的体积百分比为30%，分散剂含量为固相陶瓷（TiC）质量的1.0%，粘结剂含量为固相陶瓷（TiC）质量的0.5%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，最终制成水基陶瓷（TiC）浆料。
2.定向凝固：
把水基陶瓷（TiC）浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-10℃的恒温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（TiC）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向分布的冷冻陶瓷（TiC）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（TiC）坯体脱模后迅速放入冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（TiC）坯体在真空中进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（TiC）。所述的陶瓷（TiC）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1400℃，保温2h；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为82wt%，所述硅的含量为8wt%，所述镁的含量为10.0wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
参阅图7，将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至850℃，保温3h，然后以5℃/min冷却至室温，制得TiC高强度层状结构Al基复合材料。经磨平抛光后其微观组织形貌如图中所示，该复合材料具有明显的层状结构；
7.性能测试：
参阅图8，在浸渗好的样品中，利用线切割沿着平行于冰晶生长的方向切出φ5×10mm的圆柱体，通过万能电子材料试验机测其压缩性能，其压缩应力-应变关系曲线如图中所示，复合材料纵向最高抗压强度达到1055MPa，为基体合金强度的3.0倍，对应的压缩应变为3.20%。
实施例8
1.水基陶瓷浆料配制：
以聚丙烯酸铵作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与粒径为3～6μm的陶瓷（TiC）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（TiC）粉占整个浆料的体积百分比为20%，分散剂含量为固相陶瓷（TiC）质量的0.8%，粘结剂含量为固相陶瓷（TiC）质量的0.5%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，最终制成水基陶瓷（TiC）浆料。
2.定向凝固：
把陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-20℃的恒温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（TiC）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向冰晶分布的冷冻陶瓷（TiC）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（TiC）坯体脱模后迅速放到冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（TiC）坯体在真空中进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（TiC）。所述的陶瓷（TiC）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1400℃，保温2h；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为78wt%，所述硅的含量为12wt%，所述镁的含量为10wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至950℃，保温3h，然后以5℃/min冷却至室温，制得TiC高强度层状结构Al基复合材料。
实施例9
1.水基陶瓷浆料配制：
以聚丙烯酸铵作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂，分别溶于60℃的去离子水溶液中，再与粒径为3～6μm的陶瓷（TiC）粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机进行球磨12h制成浆料，其中固相陶瓷（TiC）粉占整个浆料的体积百分比为40%，分散剂含量为固相陶瓷（TiC）质量的0.8%，粘结剂含量为固相陶瓷（TiC）质量的0.5%，球磨后的浆料真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min，最终制成水基陶瓷（TiC）浆料。
2.定向凝固：
把陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-30℃的恒温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷（TiC）颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向冰晶分布的冷冻陶瓷（TiC）坯体；
3.冷冻干燥：
将冷冻陶瓷（TiC）坯体脱模后迅速放到冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4.坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷（TiC）坯体在真空中进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷（TiC）。所述的陶瓷（TiC）坯体的烧结工艺参数为；0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到1400℃，保温2h；
5.合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为78wt%，所述硅的含量为12wt%，所述镁的含量为10wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出尺寸为160×80×24mm的长方体形铝合金块；
6.无压浸渗：
将Al-Mg-Si合金块置于陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，将炉温升温至900℃，保温3h，然后以5℃/min冷却至室温，制得TiC高强度层状结构Al基复合材料。
Claims (7)
1.一种高强度层状Al基金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料是指高强度层状结构Al-Si-Mg/Al2O3复合材料、高强度层状结构Al-Si-Mg/SiC复合材料与高强度层状结构Al-Si-Mg/TiC复合材料；
高强度层状Al基金属陶瓷复合材料包括陶瓷粉与Al-Si-Mg合金；
高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中陶瓷粉的体积分数为20%～40vol%；Al-Si-Mg合金体积分数为80%～60vol%，Al-Si-Mg合金中所含铝的质量比为75～84wt%，所含硅的质量比为10～15wt%，所含镁的质量比为6～10wt%。
2.按照权利要求1所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述的陶瓷粉包括固相陶瓷Al2O3粉、固相陶瓷SiC粉与固相陶瓷TiC粉，三种陶瓷粉颗粒直径均为1～10μm。
3.按照权利要求1所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料中陶瓷层和金属层相间分布，陶瓷层厚度均为20～100μm，合金层厚度为20～100μm。
4.一种制备权利要求1所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料的方法，其特征在于，所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料制备方法的步骤如下：
1）水基陶瓷浆料的配制：
将分散剂和粘接剂分别溶于60℃的去离子水溶液中，再和陶瓷Al2O3粉或陶瓷SiC粉或陶瓷TiC粉混合，并采用转速为100r/min的行星式球磨机球磨12h制成浆料，球磨后的浆料再真空搅拌除气20min，搅拌速度为80～100r/min制成水基陶瓷浆料；
2）定向凝固：
把水基陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-10℃～-30℃的低温浴中进行定向凝固，水在结冰的过程中，把陶瓷Al2O3颗粒或陶瓷SiC颗粒或陶瓷TiC颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向层状排列，得到具有定向分布的冷冻陶瓷Al2O3坯体或冷冻陶瓷SiC坯体或冷冻陶瓷TiC坯体；
3）冷冻干燥：
将冷冻陶瓷Al2O3坯体或冷冻陶瓷SiC坯体或冷冻陶瓷TiC坯体脱模后迅速放入冷冻干燥仪中，进行真空状态下冰晶的升华去除，冷冻温度为-50℃，真空度为10Pa，干燥时间为24h；
4）坯体的烧结：
把干燥后的陶瓷Al2O3坯体或陶瓷SiC坯体或陶瓷TiC坯体进行高温烧结，得到具有定向孔隙结构的多孔陶瓷；
5）合金的熔炼：
按质量比准确称取铝、镁、硅，所述铝的含量为84～75wt%，所述硅的含量为10～15wt%，所述镁的含量为6～10wt%，在800℃的高温炉里吹Ar气熔炼，再浇注到铁模中，制备出长方体形铝合金块；
6）无压浸渗：
将Al-Mg-Si合金块置于层状多孔陶瓷坯体上，一起放入高温炉中，先将高温炉抽真空至100Pa以下，再通入高纯N2，使炉内压强达0.10～0.12MPa，以5℃/min升温至800～950℃，保温0.5～4h，然后5℃/min冷却至室温，制得高强度层状结构Al基陶瓷复合材料，Al-Mg-Si合金的最高浸渗深度为25mm。
5.按照权利要求4所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述的分散剂包括有聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸钠与羧甲基纤维素钠；粘接剂采用聚乙烯醇。
6.按照权利要求4所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述的具有定向分布的冷冻陶瓷Al2O3坯体或冷冻陶瓷SiC坯体或冷冻陶瓷TiC坯体皆为圆柱体，其直径为12～20mm，高度为15～25mm。
7.按照权利要求5所述的高强度层状Al基金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷Al2O3坯体或陶瓷SiC坯体或陶瓷TiC坯体进行高温烧结的工艺参数为：0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后继续以5℃/min升到预定温度1100～1500℃，保温2～3h。
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