CN107058917A - 一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法。本发明涉及一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法。本发明的目的是为了解决采用常规热挤压处理使SiC纳米线定向排列过程中对SiC纳米线损伤严重的问题。方法：一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备；二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热；三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。本发明在固相线以上、液相线以下对SiC纳米线增强铝基复合材料进行热挤压处理。铝基体的晶粒边界发生熔化，铝基体处于固‑液混合状态，对SiC纳米线约束力小。SiC纳米线可以实现低损伤的定向排列。

Description

一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合 材料的方法

技术领域

本发明涉及一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法。

背景技术

近些年来，纳米相增强金属基复合材料以其优异的强化效率，成为金属基复合材料的研究热点。目前，纳米复合材料的主要增强体为零维纳米材料(例如Al₂O₃纳米颗粒)，一维纳米材料(例如碳纳米管、SiC纳米线)，二维纳米材料(例如石墨烯)。目前，纳米铝基复合材料的制备方法，主要集中于固态法(热压烧结、放电等离子烧结、搅拌摩擦焊)和液态法(挤压铸造法、搅拌铸造、气压浸渗、无压浸渗及喷射沉积等)。过去采用碳纳米管增强铝基复合材料的研究很深入，但是碳纳米管加入的含量较低，材料性能提升效果较低；另一方面碳纳米管易于与铝基体发生界面反应，从而恶化了材料的性能。SiC相是铝基复合材料中的一种理想增强体，采用SiC颗粒增强的铝基复合材料的研究非常深入，并且已经开始了产业化应用。Wenshu Yang等人发现SiC纳米线具有比SiC晶须和SiC颗粒更高的增强效率。目前制备SiC纳米线增强铝基复合材料的方面包括固态法和液态法。Jintakosol等人采用热压烧结法制备了最高含量15vol.％的SiC纳米线增强铝基复合材料。Wenshu Yang和RonghuaDong等人采用超声波首先分散SiC纳米线浆料，采用压力浸渗法制备了复合材料，材料致密度较高(>97％)，SiC纳米线与Al基体界面结合良好且其弯曲强度超过了1000MPa，并具有良好的加工性能和一定的塑性。

Wenshu Yang和Ronghua Dong等人采用热挤压的方式对SiC纳米线增强6061铝基复合材料进行了处理，发现热挤压处理一方面提高了材料的致密度，另一方面使SiC纳米线定向排列，从而显著提高了材料的力学性能。但是他们的热挤压温度(520℃)是在基体合金固相线(582℃)以下进行的。在固相线以下时，铝基体虽然具有一定的流动性，但是仍然是固相，这导致SiC纳米线在定向排列过程中仍受到周围基体较大的约束，因此SiC纳米线发生了明显的断裂。SiC纳米线的强化效果与其长径比直接相关，因此SiC纳米线发生断裂后显著降低了SiC纳米线的增强效果。因此如何能实现SiC纳米线的低损伤定向排列是目前限制SiC纳米线增强铝基体复合材料性能提升的一个难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决采用常规热挤压处理使SiC纳米线定向排列过程中对SiC纳米线损伤严重的问题，提出了一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法。

本发明的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用固态法或液态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为5.0％～35％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为65％～95％；其中所述含铝金属为纯铝或铝合金；

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为T_s～T_m，然后在温度为T_s～T_m的条件下保温0.5h～6h，再将热挤压模具预热至温度为低于非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热温度10℃～50℃，然后在温度下保温0.5h～6h；

所述T_s为含铝金属基体的固相线温度，所述T_m为含铝金属基体的液相线温度；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为30mm/min～120mm/min和热挤压变形比为5～86：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料；

步骤一中所述SiC纳米线的纯度大于85％，平均直径为5nm～250nm，长度为5μm～100μm；所述SiC纳米线为3C、2H、4H及6H中的一种或几种的任意比组合。

步骤一中所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Be合金、Al-Li合金及Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或其中几种的任意比组合；

所述Al-Si合金中Si的质量分数为0.5％～25％；Al-Cu合金中Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Mg合金中Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Be合金中Be的质量分数为0.5％～20％；Al-Li合金中Li的质量分数为0.5％～35％；Al-Si-Cu-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。

本发明具备以下有益效果：

1、本发明在固相线以上、液相线以下对SiC纳米线增强铝基复合材料进行热挤压处理。在该温度下，铝基体的晶粒边界发生熔化，铝基体处于固-液混合状态，晶粒在外界应力下易发生转动，对SiC纳米线约束力小。SiC纳米线可以实现低损伤的定向排列，从而获得高性能的SiC纳米线增强铝基复合材料。

2、本发明制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的性能优异，典型性能如为：弹性模量超过90GPa，弯曲强度超过1000MPa，屈服强度超过450MPa，抗拉强度超过650MPa，延伸率超过2％；

3、本发明提供了一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，工艺方法简单、易操作、复合材料性能优异，易于实现产业化生产及应用。

附图说明

图1是试验一的基于半固态挤压制备的定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的显微组织照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用固态法或液态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为5.0％～35％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为65％～95％；其中所述含铝金属为纯铝或铝合金；

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为T_s～T_m，然后在温度为T_s～T_m的条件下保温0.5h～6h，再将热挤压模具预热至温度为低于非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热温度10℃～50℃，然后在温度下保温0.5h～6h；

所述T_s为含铝金属基体的固相线温度，所述T_m为含铝金属基体的液相线温度；

三、半固态挤压制备低向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为30mm/min～120mm/min和热挤压变形比为5～86：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述SiC纳米线的纯度大于85％，平均直径为5nm～250nm，长度为5μm～100μm；所述SiC纳米线为3C、2H、4H及6H中的一种或几种的任意比组合。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之一不同的是：步骤一中所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Be合金、Al-Li合金及Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或其中几种的任意比组合。其它与具体实施方式一或二之一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述Al-Si合金中Si的质量分数为0.5％～25％；Al-Cu合金中Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Mg合金中Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Be合金中Be的质量分数为0.5％～20％；Al-Li合金中Li的质量分数为0.5％～35％；Al-Si-Cu-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为6.0％～30％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为70％～94％。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为8.0％～28％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为72％～92％。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为10％～25％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为75％～90％。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为15％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为85％。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为520～540℃，然后在温度为520～540℃的条件下保温3h。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为50mm/min～100mm/min和热挤压变形比为10～50：1的条件下进行热挤压。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤二中将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为80mm/min和热挤压变形比为25：1的条件下进行热挤压。其它与具体实施方式一至十之一相同。

采用下述实验验证本发明效果：

试验一：本试验的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用液态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料，具体过程如下：

①按体积分数15％和85％分别称取SiC纳米线和含铝金属，将SiC纳米线放入钢模具中压制成SiC预制体，然后将装有SiC预制体的钢模具放入模具预热炉中，在温度为500℃下预热2h；②将含铝基体在温度为820℃下熔化，得到液态铝，然后将液态铝倒入步骤①预热后的钢模具中；③通过压头以25MPa的压力和5mm/min的速度向下运动，使液态铝浸渗到SiC纳米线的间隙中，并在25MPa的压力下保压3min，然后自然冷却，得到非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；

所述含铝金属为Al-Cu-Mg合金(Al-4.3Cu-1.5Mg)；

所述SiC纳米线的纯度为86％，平均直径为50nm，长度为28μm；所述SiC纳米线为3C。

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为520℃，然后在温度为520℃的条件下保温3h，再将热挤压模具预热至温度为510℃，然后在温度下保温3h；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为45mm/min和热挤压变形比为13：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

图1是本试验制备的定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的显微组织照片；从图中可以看出SiC纳米线定向排列良好，断裂少。

本试验得到的定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的密度为2.80g/cm³，弹性模量为105GPa，弯曲强度1300MPa，屈服强度476MPa，拉伸强度667MPa，延伸率2.3％。SiC纳米线原始平均长度为28μm，挤压后SiC纳米线平均长度为23μm。

试验二：本试验的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用固态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料，具体过程如下：

①按体积分数6％和94％分别称取SiC纳米线和含铝金属粉末，然后将SiC纳米线和含铝金属粉末倒入乙醇溶液中，采用35kHz超声波分散3min，自然沉降后干燥，得到SiC纳米线和含铝金属粉末的混合粉末；②将SiC纳米线和含铝金属粉末的混合粉末倒入石墨模具中，上面放置石墨压头，整体放到真空热压炉内；③将真空抽至10^-3Bar时，开始加热炉膛至温度为500℃，并在500℃下保温2h；④通过压头向下运动施加压力，压力为10MPa，保压10min，然后自然冷却，得到非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；

所述含铝金属粉末平均粒径为10μm；

所述含铝金属为Al-Si合金，所述Al-Si合金中Si的质量分数为25％；

所述SiC纳米线的纯度为95％，平均直径为100nm，长度为10μm；所述SiC纳米线为2H。

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为540℃，然后在温度为540℃的条件下保温3h，再将热挤压模具预热至温度为520℃，然后在温度下保温3h；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为50mm/min和热挤压变形比为13：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

本试验得到的定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的密度为2.82g/cm³，弹性模量为99GPa，弯曲强度1320MPa，屈服强度480MPa，拉伸强度674MPa，延伸率2.5％。SiC纳米线原始平均长度为10μm，挤压后SiC纳米线平均长度为8.5μm。

试验三、本试验的一种低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用液态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料，具体过程如下：

①按体积分数8％和92％分别称取SiC纳米线和含铝金属，将SiC纳米线放入钢模具中压制成SiC预制体，然后将装有SiC预制体的钢模具放入模具预热炉中，在温度为500℃下预热2h；②将含铝基体在温度为820℃下熔化，得到液态铝，然后将液态铝倒入步骤①预热后的钢模具中；③通过压头以25MPa的压力和5mm/min的速度向下运动，使液态铝浸渗到SiC纳米线的间隙中，并在25MPa的压力下保压3min，然后自然冷却，得到非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；

其中所述含铝金属为Al-Si合金；Al-Si合金中Si的质量分数为20％；

所述SiC纳米线的纯度为93％，平均直径为100nm，长度为50μm；所述SiC纳米线为4H；

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为530℃，然后在温度为530℃的条件下保温3h，再将热挤压模具预热至温度为520℃，然后在温度下保温3h；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为60mm/min和热挤压变形比为20：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

本试验得到的低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的密度为2.84g/cm³，弹性模量为102GPa，弯曲强度1380MPa，屈服强度485MPa，拉伸强度680MPa，延伸率2.7％。SiC纳米线原始平均长度为50μm，挤压后SiC纳米线平均长度为42μm。

试验四、本试验的一种低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用液态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料，具体过程如下：

①按体积分数10％和90％分别称取SiC纳米线和含铝金属，将SiC纳米线放入钢模具中压制成SiC预制体，然后将装有SiC预制体的钢模具放入模具预热炉中，在温度为500℃下预热2h；②将含铝基体在温度为820℃下熔化，得到液态铝，然后将液态铝倒入步骤①预热后的钢模具中；③通过压头以25MPa的压力和5mm/min的速度向下运动，使液态铝浸渗到SiC纳米线的间隙中，并在25MPa的压力下保压3min，然后自然冷却，得到非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；

其中所述含铝金属为Al-Cu合金；Al-Cu合金中Cu的质量分数为30％；

所述SiC纳米线的纯度为99％，平均直径为120nm，长度为40μm；所述SiC纳米线为4H；

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为530℃，然后在温度为530℃的条件下保温3h，再将热挤压模具预热至温度为510℃，然后在温度下保温3h；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为80mm/min和热挤压变形比为20：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

本试验得到的低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的密度为2.80g/cm³，弹性模量为108GPa，弯曲强度1350MPa，屈服强度480MPa，拉伸强度682MPa，延伸率2.8％。SiC纳米线原始平均长度为40μm，挤压后SiC纳米线平均长度为33μm。

试验五、本试验的一种低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用液态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料，具体过程如下：

①按体积分数20％和80％分别称取SiC纳米线和含铝金属，将SiC纳米线放入钢模具中压制成SiC预制体，然后将装有SiC预制体的钢模具放入模具预热炉中，在温度为500℃下预热2h；②将含铝基体在温度为820℃下熔化，得到液态铝，然后将液态铝倒入步骤①预热后的钢模具中；③通过压头以25MPa的压力和5mm/min的速度向下运动，使液态铝浸渗到SiC纳米线的间隙中，并在25MPa的压力下保压3min，然后自然冷却，得到非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；

其中所述含铝金属为Al-Zn-Cu合金；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为30％，Cu的质量分数为20％；

所述SiC纳米线的纯度为91％，平均直径为100nm，长度为90μm；所述SiC纳米线为4H；

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为525℃，然后在温度为525℃的条件下保温3h，再将热挤压模具预热至温度为510℃，然后在温度下保温3h；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为90mm/min和热挤压变形比为25：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

本试验得到的低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的密度为2.79g/cm³，弹性模量为105GPa，弯曲强度1352MPa，屈服强度482MPa，拉伸强度680MPa，延伸率3.0％。SiC纳米线原始平均长度为90μm，挤压后SiC纳米线平均长度为76μm。

试验六、本试验的一种低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用固态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料，具体过程如下：

①按体积分数25％和75％分别称取SiC纳米线和含铝金属粉末，然后将SiC纳米线和含铝金属粉末倒入乙醇溶液中，采用35kHz超声波分散3min，自然沉降后干燥，得到SiC纳米线和含铝金属粉末的混合粉末；②将SiC纳米线和含铝金属粉末的混合粉末倒入石墨模具中，上面放置石墨压头，整体放到真空热压炉内；③将真空抽至10^-3Bar时，开始加热炉膛至温度为500℃，并在500℃下保温2h；④通过压头向下运动施加压力，压力为10MPa，保压10min，然后自然冷却，得到非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；

所述含铝金属粉末平均粒径为12μm；

其中所述含铝金属为Al-Si-Cu-Mg合金；Al-Si-Cu-Mg合金中Si的质量分数为15％，Cu的质量分数为20％，Mg的质量分数为25％；

所述SiC纳米线的纯度为93％，平均直径为120nm，长度为80μm；所述SiC纳米线为4H；

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为540℃，然后在温度为540℃的条件下保温3h，再将热挤压模具预热至温度为530℃，然后在温度下保温3h；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为30mm/min和热挤压变形比为10：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

本试验得到的低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的密度为2.78g/cm³，弹性模量为122GPa，弯曲强度1388MPa，屈服强度480MPa，拉伸强度682MPa，延伸率3.1％。SiC纳米线原始平均长度为80μm，挤压后SiC纳米线平均长度为72μm。

试验七、本试验的一种低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用固态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料，具体过程如下：

①按体积分数30％和70％分别称取SiC纳米线和含铝金属粉末，然后将SiC纳米线和含铝金属粉末倒入乙醇溶液中，采用35kHz超声波分散3min，自然沉降后干燥，得到SiC纳米线和含铝金属粉末的混合粉末；②将SiC纳米线和含铝金属粉末的混合粉末倒入石墨模具中，上面放置石墨压头，整体放到真空热压炉内；③将真空抽至10^-3Bar时，开始加热炉膛至温度为500℃，并在500℃下保温2h；④通过压头向下运动施加压力，压力为10MPa，保压10min，然后自然冷却，得到非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；

所述含铝金属粉末平均粒径为10μm；

其中所述含铝金属为Al-Be合金；所述Al-Be合金中Be的质量分数为15％；

所述SiC纳米线的纯度为97％，平均直径为90nm，长度为70μm；所述SiC纳米线为4H；

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为540℃，然后在温度为540℃的条件下保温3h，再将热挤压模具预热至温度为530℃，然后在温度下保温3h；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为120mm/min和热挤压变形比为60：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

本试验得到的低损伤定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的密度为2.78g/cm³，弹性模量为136GPa，弯曲强度1375MPa，屈服强度478MPa，拉伸强度678MPa，延伸率3.2％。SiC纳米线原始平均长度为70μm，挤压后SiC纳米线平均长度为61μm。

Claims (10)

1.一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料的制备：

采用固态法或液态法制备非定向SiC纳米线增强铝基复合材料；所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为5.0％～35％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为65％～95％；其中所述含铝金属为纯铝或铝合金；

二、非定向SiC纳米线增强铝基复合材料及热挤压模具的预热：

先将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为T_s～T_m，然后在温度为T_s～T_m的条件下保温0.5h～6h，再将热挤压模具预热至温度为低于非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热温度10℃～50℃，然后在温度下保温0.5h～6h；

所述T_s为含铝金属基体的固相线温度，所述T_m为含铝金属基体的液相线温度；

三、半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料：

将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为30mm/min～120mm/min和热挤压变形比为5～86：1的条件下进行热挤压，得到定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述SiC纳米线的纯度大于85％，平均直径为5nm～250nm，长度为5μm～100μm；所述SiC纳米线为3C、2H、4H及6H中的一种或几种的任意比组合。

3.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Be合金、Al-Li合金及Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或其中几种的任意比组合。

4.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述Al-Si合金中Si的质量分数为0.5％～25％；Al-Cu合金中Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Mg合金中Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Be合金中Be的质量分数为0.5％～20％；Al-Li合金中Li的质量分数为0.5％～35％；Al-Si-Cu-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。

5.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为8.0％～28％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为72％～92％。

6.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为10％～25％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为75％～90％。

7.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线的体积分数为15％，所述非定向SiC纳米线增强铝基复合材料中含铝金属体积分数为85％。

8.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤二中将非定向SiC纳米线增强铝基复合材料预热至温度为520～540℃，然后在温度为520～540℃的条件下保温3h。

9.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤二中将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为50mm/min～100mm/min和热挤压变形比为10～50：1的条件下进行热挤压。

10.根据权利要求1所述的一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤二中将预热后的非定向SiC纳米线增强铝基复合材料用热挤压模具在热挤压的加压速度为80mm/min和热挤压变形比为25：1的条件下进行热挤压。