CN107099759A

CN107099759A - 一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN107099759A
Application number: CN201710162754.0A
Authority: CN
Inventors: 朱德智; 戚龙飞; 马志军; 丁霞; 赵彬; 申超
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-03-18
Filing date: 2017-03-18
Publication date: 2017-08-29

Abstract

本发明公开了一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法。该复合材料采用二氧化硅纳米纤维为增强相，铝合金为基体，复合材料内部的二氧化硅纳米纤维连续有序且定向排列，分布均匀、弥散，纤维无缺陷。制备方法包括如下步骤：（1）采用溶胶凝胶工艺制备二氧化硅溶胶；（2）采用静电纺丝工艺制备二氧化硅纳米纤维膜；（3）制备二氧化硅纳米纤维和铝合金粉末的预制块（4）采用放电等离子烧结工艺制备铝基复合材料。本发明制备方法设备简易、操作简单、生产效率高、工艺稳定性好，适合批量化生产。

Description

一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝基复合材料制造领域，特别涉及一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

由于铝合金具有密度低、其合金选择范围广、可热处理性好，制备工艺灵活多样等优点，使铝基复合材料迅猛发展并成为当前金属基复合材料发展和研究工作的主流。连续纤维增强铝基复合材料是一种以连续纤维作为增强相，铝及铝合金为基体相制备而成的复合材料。它具有轻质、比强度高、比模量高、耐磨性强、耐高温性能好、导电、导热性好、抗疲劳、抗老化等优良的综合性能，使其在先进武器、航空航天等领域有着广阔的应用前景。其中增强纤维绝大多数情况下是作为承载组分，而金属基体主要起黏结纤维、传递载荷、部分承载的作用。铝基复合材料具有质量轻、比强度高、热稳定性和导电导热性优异、低的热膨胀系数以及良好的耐磨性，在航空航天、汽车、电子、交通运输等领域具有广阔的应用背景。但是，迄今为止，针对纤维增强铝基复合材料的研究主要采用碳纤维、硼纤维、Al₂O₃纤维、SiC纤维等增强相，对采用连续SiO₂纤维增强铝基复合材料的研究报道暂未发现。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型高性能的二氧化硅纳米纤维定向增强铝基复合材料，复合材料内部的二氧化硅纳米纤维连续有序且定向排列，分布均匀、弥散，纤维无缺陷，容易成形及批量化生产。

本发明还提供所述二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，该方法结合溶胶凝胶工艺、静电纺丝工艺和快速烧结的固态成型工艺，不仅可以使复合材料达到近乎致密状态，还可以控制二氧化硅纤维颗粒和铝合金基体之间的界面反应，有效提高材料的强度和模量。

本发明的目的通过下述技术方案实现。

一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料，增强相为二氧化硅纳米纤维，基体为铝合金。

进一步地，所述铝合金包括变形铝合金和铸造铝合金。

更进一步地，所述变形铝合金包括1xxx系、2xxx系、4xxx系、5xxx系、6xxx系或7xxx系铝合金。

更进一步地，所述铸造铝合金包括Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-RE系或Al-Zn系铝合金。

进一步地，所述二氧化硅纳米纤维占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数在0.1%～35%之间，所述铝合金占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数在65%～99.9%之间，且二者之和等于1。

制备所述一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：

（1）二氧化硅溶胶的制备：将正硅酸乙酯、乙腈、去离子水和浓盐酸在油浴锅中加热，取出后在烘箱中陈化，得到二氧化硅溶胶，静置；

（2）静电纺丝：将静置后的二氧化硅溶胶静电纺丝，收集得到二氧化硅纳米纤维膜；

（3）制备预制块：将获得的二氧化硅纳米纤维膜剪碎，再与铝合金粉混合后用压机压制成预制块；

（4）放电等离子烧结制备铝基复合材料：采用放电等离子烧结系统对制备的预制块进行烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，脱模，得到所述二氧化硅纤维增强铝基复合材料。

进一步地，步骤（1）中，所述正硅酸乙酯和乙腈的体积比为4~1：1；所述去离子水、浓盐酸和乙腈的体积比为1：30：53~215。

进一步地，步骤（1）中，所述乙腈采用同等量的乙醇代替。

进一步地，步骤（1）中，所述浓盐酸采用同等量的浓硝酸代替。

进一步地，步骤（1）中，所述油浴的温度为60~100℃，时间为0.5~3小时。

进一步地，步骤（1）中，所述陈化的温度为35~40℃，时间为10~60h。

进一步地，步骤（1）中，所述静置是静置至二氧化硅溶胶的粘度达到8~18mPa•s。

进一步地，步骤（2）中，所述静电纺丝的参数设置为：电压为12-18kV，溶胶注射速率为0.001-0.02ml/s，收集距离为5-10cm，转速为200-3000rpm。

进一步地，步骤（3）中，所述铝合金粉和剪碎的二氧化硅纳米纤维膜混合的时间为10~20h。

进一步地，步骤（3）中，所述压制的压力为200-400MPa，保压时间为5-20s。

进一步地，步骤（4）中，所述烧结的温度为450℃～550℃，升温速率为50～120℃/min，保温烧结时间为5～20min，烧结压力为20～50MPa。

进一步地，步骤（4）中，烧结过程采用的模具为石墨模具。

本发明制备方法的原理为：

溶胶-凝胶法在液相将以无机物或金属醇盐作前驱体的原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系；而静电纺丝是利用上千伏的高压静电场作用于高分子聚合物溶液或熔融液体，从而获得50～500 nm的纳米量级聚合物纤维丝。

放电等离子烧结（SPS）是一种快速、低温烧结成形工艺，也是一种固态烧结工艺。该工艺具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结优势，同时有效利用了颗粒间放电产生的自发热作用，产生了一些SPS过程所特有的利于烧结的现象：第一，脉冲放电将粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，粉末颗粒产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，从而达到粉末烧结的快速化；第三，正-负（On-Off）快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的烧结能够均匀化，使脉冲集中在晶粒结合处。另外，所选用的二氧化硅纳米纤维具有很好的热稳定性，在低温烧结过程中可以快速成形，从而避免其与铝合金基体发生严重的界面反应和有害脆性相的生成。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及效果：

（1）本发明制备方法设备简易，操作简单，生产效率高，工艺稳定性好，适合批量化生产；

（2）本发明的二氧化硅纤维增强铝基复合材料，复合材料内部的二氧化硅纳米纤维连续有序且定向排列，分布均匀、弥散，纳米纤维低缺陷，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备工艺流程图；

图2为实施例1中静电纺丝得到的定向排布的二氧化硅纳米纤维的SEM图；

图3为实施例1中制备的二氧化硅纤维增强铝基复合材料形貌的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1为本发明二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备工艺流程图，制备工艺过程包括静电纺丝法制备二氧化硅纳米纤维膜、制备预制块和放电等离子烧结，得到本发明二氧化硅纤维增强铝基复合材料。

实施例1

（1）二氧化硅溶胶的制备：

正硅酸乙酯30ml、乙腈8ml、浓盐酸0.14ml和4.2ml去离子水（正硅酸乙酯:乙腈=3.75：1，V/V）在80℃油浴锅中反应1h，取出后放到35℃烘箱中陈化32h，陈化32小时后，静置，待粘度达到12mPa•s进行静电纺丝；

（2）静电纺丝：

将步骤（1）得到的二氧化硅溶胶进行静电纺丝，收集得到二氧化硅纳米纤维膜；静电纺丝参数设置为：电压17kV，供液速率 0.002ml/s，收集距离8cm，转速3000rpm；

得到的二氧化硅纳米纤维形貌的SEM图如图2所示，由图2可知，二氧化硅纳米纤维基本沿着同一方向定向排布；

（3）制备预制块：

将获得的二氧化硅纳米纤维膜剪碎，再与6061铝合金粉粉混合，按占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数，二氧化硅纳米纤维膜质量分数为7%，6061铝合金粉质量分数为93%；混合15h后，用油压机压制成预制块，油压机的压力保持200Mpa，保压时间为5s；

（4）放电等离子烧结成形复合材料：

将制备的预制块采用放电等离子烧结（SPS）系统进行烧结，模具为石墨模具，烧结压力为30MPa，以80℃/min的升温速率从室温升至520℃，保温时间为5min，随炉冷却至室温后脱模，获得二氧化硅纤维增强铝基复合材料。

二氧化硅纤维增强铝基复合材料形貌SEM如图3所示，纤维在基体中分散均匀。

实施例2

（1）二氧化硅溶胶的制备：

正硅酸乙酯30ml、乙腈30ml、浓盐酸0.14ml和4.2ml去离子水（正硅酸乙酯:乙腈=1：1，V/V）在60℃油浴锅中反应3h，取出后放到40℃烘箱中陈化10h，陈化10小时后，静置，待粘度达到8mPa•s进行静电纺丝；

（2）静电纺丝：

将步骤（1）得到的二氧化硅溶胶进行静电纺丝，收集得到二氧化硅纳米纤维膜；静电纺丝参数设置为：电压18kV，供液速率 0.02ml/s，收集距离10cm，转速200rpm；

得到的二氧化硅纳米纤维形貌的SEM图参见附图2，二氧化硅纳米纤维基本沿着同一方向定向排布；

（3）制备预制块：

将获得的二氧化硅纳米纤维膜剪碎，再与1080铝合金粉混合，按占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数，二氧化硅纳米纤维膜质量分数为0.1%，1080铝合金粉为99.9%；混合10h后，用油压机压制成预制块，油压机的压力保持280Mpa，保压时间为8s；

（4）放电等离子烧结成形复合材料：

将制备的预制块采用放电等离子烧结（SPS）系统进行烧结，模具为石墨模具，烧结压力为20MPa，以50℃/min的升温速率从室温升至450℃，保温时间为10min，随炉冷却至室温后脱模，获得二氧化硅纤维增强铝基复合材料。

二氧化硅纤维增强铝基复合材料的SEM形貌参见图3，纤维在基体中分散均匀。

实施例3

（1）二氧化硅溶胶的制备：

正硅酸乙酯30ml、乙腈7.5ml、浓盐酸0.14ml和4.2ml去离子水（正硅酸乙酯:乙腈=4：1，V/V）在70℃油浴锅中反应2h，取出后放到35℃烘箱中陈化28h，陈化28小时后，静置，待粘度达到10mPa•s进行静电纺丝；

（2）静电纺丝：

将步骤（1）得到的二氧化硅溶胶进行静电纺丝，收集得到二氧化硅纳米纤维膜；静电纺丝参数设置为：电压12kV，供液速率 0.001ml/s，收集距离5cm，转速1000rpm；

（3）制备预制块：

将获得的二氧化硅纤维膜剪碎，再与7075铝合金粉混合，按占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数，二氧化硅纳米纤维膜质量分数为35%，7075铝合金粉为65%；混合20h后，用油压机压制成预制块，油压机的压力保持300Mpa，保压时间为10s；

（4）放电等离子烧结成形复合材料：

将制备的预制块采用放电等离子烧结（SPS）系统进行烧结，模具为石墨模具，烧结压力为30MPa，以120℃/min的升温速率从室温升至500℃，保温时间为20min，随炉冷却至室温后脱模，获得二氧化硅纳米纤维增强铝基复合材料。

实施例4

（1）二氧化硅溶胶的制备：

正硅酸乙酯30ml、乙腈15ml、浓盐酸0.14ml和4.2ml去离子水（正硅酸乙酯:乙腈=2：1，V/V）在90℃油浴锅中反应1.5h，取出后放到35℃烘箱中陈化60h，陈化60小时后，静置，待粘度达到18mPa•s进行静电纺丝；

（2）静电纺丝：

将步骤（1）得到的二氧化硅溶胶进行静电纺丝，收集得到二氧化硅纳米纤维膜；静电纺丝参数设置为：电压15kV，供液速率 0.005ml/s，收集距离7cm，转速1500rpm；

（3）制备预制块：

将获得的二氧化硅纤维膜剪碎，再与2024铝合金粉混合，按占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数，二氧化硅纳米纤维膜质量分数为15%，2024铝合金粉为85%；混合20h后，用油压机压制成预制块，油压机的压力保持320Mpa，保压时间为12s；

（4）放电等离子烧结成形复合材料：

将制备的预制块采用放电等离子烧结（SPS）系统进行烧结，模具为石墨模具，烧结压力为50MPa，以60℃/min的升温速率从室温升至550℃，保温时间为10min，随炉冷却至室温后脱模，获得二氧化硅纳米纤维增强铝基复合材料。

实施例5

（1）二氧化硅溶胶的制备：

正硅酸乙酯30ml、乙腈10ml、浓盐酸0.14ml和4.2ml去离子水（正硅酸乙酯):乙腈=3：1，V/V）在100℃油浴锅中反应0.5h，取出后放到40℃烘箱中陈化30h，陈化30小时后，静置，待粘度达到14mPa•s进行静电纺丝；

（2）静电纺丝：

将步骤（1）得到的二氧化硅溶胶进行静电纺丝，收集得到二氧化硅纳米纤维膜；静电纺丝参数设置为：电压16kV，供液速率 0.01ml/s，收集距离9cm，转速2000rpm；

（3）制备预制块：

将获得的二氧化硅纤维膜剪碎，再与4032铝合金粉混合，按占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数，二氧化硅纳米纤维膜为20%，4032铝合金粉为80%；混合20h后，用油压机压制成预制块，油压机的压力保持360Mpa，保压时间为16s；

（4）放电等离子烧结成形复合材料：

将制备的预制块采用放电等离子烧结（SPS）系统进行烧结，模具为石墨模具，烧结压力为40MPa，以100℃/min的升温速率从室温升至480℃，保温时间为12min，随炉冷却至室温后脱模，获得二氧化硅纤维增强铝基复合材料。

二氧化硅纤维增强铝基复合材料的SEM形貌参见图3所示，二氧化硅纳米纤维在基体中分散均匀。

实施例6

（1）二氧化硅溶胶的制备：

正硅酸乙酯30ml、乙腈12ml、浓盐酸0.14ml和4.2ml去离子水（正硅酸乙酯:乙腈=2.5：1，V/V）在85℃油浴锅中反应2.5h，取出后放到35℃烘箱中陈化40h，陈化40小时后，静置，待粘度达到15mPa•s进行静电纺丝；

（2）静电纺丝：

将步骤（1）得到的二氧化硅溶胶进行静电纺丝，收集得到二氧化硅纳米纤维膜；静电纺丝参数设置为：电压14kV，供液速率 0.015ml/s，收集距离6cm，转速2500rpm；

（3）制备预制块：

将获得的二氧化硅纤维膜剪碎，再与5052铝合金粉混合，按占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数，二氧化硅纳米纤维膜质量分数为20%，5052铝合金粉为80%；混合20h后，用油压机压制成预制块，油压机的压力保持400Mpa，保压时间为20s；

（4）放电等离子烧结成形复合材料：

将制备的预制块采用放电等离子烧结（SPS）系统进行烧结，模具为石墨模具，烧结压力为35MPa，以90℃/min的升温速率从室温升至460℃，保温时间为8min，随炉冷却至室温后脱模，获得二氧化硅纳米纤维增强铝基复合材料。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料，其特征在于，增强相为二氧化硅纳米纤维，基体为铝合金。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝合金包括变形铝合金和铸造铝合金；所述变形铝合金包括1xxx系、2xxx系、4xxx系、5xxx系、6xxx系或7xxx系铝合金；所述铸造铝合金包括Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-RE系或Al-Zn系铝合金。

3.根据权利要求1所述一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料，其特征在于，所述二氧化硅纳米纤维占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数在0.1%～35%之间，所述铝合金占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数在65%～99.9%之间，且二者之和等于1。

4.制备权利要求1-3任一项所述一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述正硅酸乙酯和乙腈的体积比为4~1：1；所述去离子水、浓盐酸和乙腈的体积比为1：30：53~215。

6.根据权利要求4所述的一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述乙腈采用同等量的乙醇代替；所述浓盐酸采用同等量的浓硝酸代替。

7.根据权利要求4所述的一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述油浴的温度为60~100℃，时间为0.5~3小时；所述陈化的温度为35~40℃，时间为10~60h；所述静置是静置至二氧化硅溶胶的粘度达到8~18mPa•s。

8.根据权利要求4所述的一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述静电纺丝的参数设置为：电压为12-18kV，溶胶注射速率为0.001-0.02ml/s，收集距离为5-10cm，转速为200-3000rpm。

9.根据权利要求4所述的一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述铝合金粉和剪碎的二氧化硅纳米纤维膜混合的时间为10~20h；所述压制的压力为200-400MPa，保压时间为5-20s。

10.根据权利要求4所述的一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述烧结的温度为450℃～550℃，升温速率为50～120℃/min，保温烧结时间为5～20min，烧结压力为20～50MPa；烧结过程采用的模具为石墨模具。