CN107058917B - 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
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 Download PDFInfo
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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
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Ts~Tm,然后在温度为Ts~Tm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Ts为含铝金属基体的固相线温度,所述Tm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Ts~Tm,然后在温度为Ts~Tm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Ts为含铝金属基体的固相线温度,所述Tm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三不同的是: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三相同。
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:步骤三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:步骤三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Ts~Tm,然后在温度为Ts~Tm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Ts为含铝金属基体的固相线温度,所述Tm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3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,其特征在于步骤三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,其特征在于步骤三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。
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