CN107150122B - 一种轻量化铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻量化铝基复合材料的制备方法，将铝屑和氧化铝溶解至纳米二氧化硅的溶胶液中形成稳定的悬浊液，然后超声反应与低温固化，经烧结得到铝发泡结构体，在经碳化硅的酚醛树脂悬浊液中浸泡多次，最后低温固化后活化得到铝基复合材料。本发明的材料不仅具有良好的加工性能，而且具有独特的耐磨损、耐高温、导热系数高，比重轻。
Description
技术领域
本发明属于铝材料技术领域，涉及一种轻量化铝基复合材料的制备方法。
背景技术
中国的汽车消费在全球占越来越大的比例。由于世界上比较有名的大公司竞相进入中国市场，给国产汽车带来了巨大的挑战，国内汽车行业越来越重视自主研发，尤其是汽车节能减排方向。轻量化是汽车实现节能减排的有效方法之一，制动盘作为对行车安全起到重要作用的零部件，其轻量化也逐步受到关注。轻量化的制动盘不仅应具有良好的导热性，而且要有高而稳定的摩擦系数及耐磨性。但是目前常用的制动盘多为整块铸铁材料，在实际应用中存在以下问题，1、质量大，增加了汽车总重量，不利于节能减排的发展；2、耐磨性差，汽车在行驶一定里程后磨损度高，无法继续使用；3、耐高温性能差，在刹车过程中摩擦产生的热量使是制动盘的强度发生变化，此时遇水易产生热裂，安全性能变差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不仅具有良好的加工性能，而且具有独特的耐磨损、耐高温、导热系数高，比重轻的铝基复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其制备步骤如下：
步骤1，将纳米二氧化硅放入无水乙醇中，搅拌均匀形成溶胶状；
步骤2，将有机硅树脂与发泡剂加入至溶胶液中搅拌均匀，形成混合液，加入氧化铝和铝粉，搅拌均匀后形成悬浊浓缩液；
步骤3，将悬浊浓缩液进行超声反应，然后放入模具中低温固化，形成铝结构体；
步骤4，将铝结构体放入马弗炉中进行升温烧结3-5h，自然冷却后进行醇洗，得到铝发泡结构；
步骤5，将碳化硅粉末加入至水中，加入分散剂与酚醛树脂形成悬浊粘稠液；
步骤6，将铝发泡结构放入悬浊粘稠液共煮1-2h，然后取出低温固化，反复2-3次，得到包覆铝结构；
步骤7，将包覆铝结构进行活化反应，自然冷却后得到轻量化铝基复合材料。
所述复合材料的制备配方如下：
纳米二氧化硅3-8份、无水乙醇20-30份、有机硅树脂10-15份、发泡剂5-9份、氧化铝10-15份、铝粉12-16份、碳化硅15-20份、水30-40份、分散剂2-4份、酚醛树脂10-15份。
所述发泡剂采用碳酸铵。
所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素或羧甲基纤维素中的一种。
所述步骤1中的所述的纳米二氧化硅的粒径为100-500nm，搅拌速度为100-400r/min；采用搅拌的方式能够将二氧化硅分散至无水乙醇中，形成较为稳定的胶状。
步骤2中的搅拌速度均为1000-2000r/min；采用搅拌的方式能够将发泡剂与有机硅树脂混合均匀，同时加入氧化铝与铝粉搅拌，能够形成粘稠且分散性好的二氧化硅、氧化铝和铝粉的悬浊结构。
步骤3中的超声反应频率为10-15kHz，超声反应时间为10-30min，所述超声反应采用水浴超声，所述超声温度为30-50℃，所述低温固化温度为1-5℃；采用超声反应能够进行二氧化硅、氧化铝和铝粉的分散，同时能够保证材料间的粘合性，采用低温水浴超声能够防止无水乙醇的挥发，保证粘稠性的同时，也防止有机硅树脂的提前固化，采用低温固化能够加快模具材料的固化，得到结构稳定的铝结构体。
步骤4中的升温烧结温度为400-500℃，所述升温烧结的升温速度为7-10℃/min，所述冷却采用自然冷却，所述醇洗采用无水乙醇进行浸泡洗涤；采用烧结的方式能够保证分散性良好的二氧化硅、氧化铝和铝粉之间的粘结，同时烧结过程中将发泡剂和有机硅树脂进行氧化，得到粘结结构不错的碳硅结构，同时内部形成发泡孔隙结构。
步骤6中的共煮温度为90-110℃，所述低温固化温度为1-4℃；采用共煮的方式能够将悬浊粘稠液中的碳化硅粘附在结构孔隙内，并通过酚醛树脂进行粘合反应，得到孔隙填补效果。
步骤7中的活化方式为：(1)在空气中在250-300℃下烧结2-3h，(2)在氮气保护下以500-700℃烧结2-4h；采用高温活化的方式能够将酚醛树脂转化为碳纤维，并且在碳化硅、二氧化硅、氧化铝和铝屑间起到连接作用，形成结构较为稳固的复合材料。
本发明中，以铝屑和氧化铝为原料，制备得到铝基复合材料，制备思路为：将铝屑和氧化铝溶解至纳米二氧化硅的溶胶液中形成稳定的悬浊液，然后超声反应与低温固化，经烧结得到铝发泡结构体，在经碳化硅的酚醛树脂悬浊液中浸泡多次，最后低温固化后活化得到铝基复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)以铝屑和氧化铝为原料，制备得到铝基复合材料，彻底解决了耐高温性能差，遇水易产生热裂，安全性能变差的问题；制备方法简单，有利于进行批量化生产，且生产成本低；制备出的复合材料具有耐磨性好，质量轻的特点；
2)本发明的铝基复合材料不仅具有良好的加工性能，而且具有独特的耐磨损、耐高温、导热系数高，比重轻。
3)本发明的铝基复合材料可以减轻整车的总重量，大大加速汽车轻量化的进程，起到节能减排的效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其制备步骤如下：
步骤1，将纳米二氧化硅放入无水乙醇中，搅拌均匀形成溶胶状；
步骤2，将有机硅树脂与发泡剂加入至溶胶液中搅拌均匀，形成混合液，加入氧化铝和铝粉，搅拌均匀后形成悬浊浓缩液；
步骤3，将悬浊浓缩液进行超声反应，然后放入模具中低温固化，形成铝结构体；
步骤4，将铝结构体放入马弗炉中进行升温烧结3h，自然冷却后进行醇洗，得到铝发泡结构；
步骤5，将碳化硅粉末加入至水中，加入分散剂与酚醛树脂形成悬浊粘稠液；
步骤6，将铝发泡结构放入悬浊粘稠液共煮1h，然后取出低温固化，反复2次，得到包覆铝结构；
步骤7，将包覆铝结构进行活化反应，自然冷却后得到轻量化铝基复合材料。
所述复合材料的制备配方如下：
纳米二氧化硅3份、无水乙醇20份、有机硅树脂10份、发泡剂5份、氧化铝10份、铝粉12份、碳化硅15份、水30份、分散剂2份、酚醛树脂10份。
所述发泡剂采用碳酸铵。
所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮。
所述步骤1中的所述的纳米二氧化硅的粒径为100nm，搅拌速度为100r/min。
步骤2中的搅拌速度均为1000r/min。
步骤3中的超声反应频率为10kHz，超声反应时间为10min，所述超声反应采用水浴超声，所述超声温度为30℃，所述低温固化温度为1℃。
步骤4中的升温烧结温度为400℃，所述升温烧结的升温速度为7℃/min，所述冷却采用自然冷却，所述醇洗采用无水乙醇进行浸泡洗涤。
步骤6中的共煮温度为90℃，所述低温固化温度为1℃。
步骤7中的活化方式为：(1)在空气中在250℃下烧结2h，(2)在氮气保护下以500℃烧结2h。
实施例2：
一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其制备步骤如下：
步骤1，将纳米二氧化硅放入无水乙醇中，搅拌均匀形成溶胶状；
步骤2，将有机硅树脂与发泡剂加入至溶胶液中搅拌均匀，形成混合液，加入氧化铝和铝粉，搅拌均匀后形成悬浊浓缩液；
步骤3，将悬浊浓缩液进行超声反应，然后放入模具中低温固化，形成铝结构体；
步骤4，将铝结构体放入马弗炉中进行升温烧结5h，自然冷却后进行醇洗，得到铝发泡结构；
步骤5，将碳化硅粉末加入至水中，加入分散剂与酚醛树脂形成悬浊粘稠液；
步骤6，将铝发泡结构放入悬浊粘稠液共煮2h，然后取出低温固化，反复3次，得到包覆铝结构；
步骤7，将包覆铝结构进行活化反应，自然冷却后得到轻量化铝基复合材料。
所述复合材料的制备配方如下：
纳米二氧化硅8份、无水乙醇30份、有机硅树脂15份、发泡剂9份、氧化铝15份、铝粉16份、碳化硅20份、水40份、分散剂4份、酚醛树脂15份。
所述发泡剂采用碳酸铵。
所述分散剂采用甲基纤维素。
所述步骤1中的所述的纳米二氧化硅的粒径为500nm，搅拌速度为400r/min。
步骤2中的搅拌速度均为2000r/min。
步骤3中的超声反应频率为15kHz，超声反应时间为30min，所述超声反应采用水浴超声，所述超声温度为50℃，所述低温固化温度为5℃。
步骤4中的升温烧结温度为500℃，所述升温烧结的升温速度为10℃/min，所述冷却采用自然冷却，所述醇洗采用无水乙醇进行浸泡洗涤。
步骤6中的共煮温度为110℃，所述低温固化温度为4℃。
步骤7中的活化方式为：(1)在空气中在300℃下烧结3h，(2)在氮气保护下以700℃烧结4h。
实施例3：
一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其制备步骤如下：
步骤1，将纳米二氧化硅放入无水乙醇中，搅拌均匀形成溶胶状；
步骤2，将有机硅树脂与发泡剂加入至溶胶液中搅拌均匀，形成混合液，加入氧化铝和铝粉，搅拌均匀后形成悬浊浓缩液；
步骤3，将悬浊浓缩液进行超声反应，然后放入模具中低温固化，形成铝结构体；
步骤4，将铝结构体放入马弗炉中进行升温烧结4h，自然冷却后进行醇洗，得到铝发泡结构；
步骤5，将碳化硅粉末加入至水中，加入分散剂与酚醛树脂形成悬浊粘稠液；
步骤6，将铝发泡结构放入悬浊粘稠液共煮2h，然后取出低温固化，反复3次，得到包覆铝结构；
步骤7，将包覆铝结构进行活化反应，自然冷却后得到轻量化铝基复合材料。
所述复合材料的制备配方如下：
纳米二氧化硅6份、无水乙醇25份、有机硅树脂13份、发泡剂7份、氧化铝13份、铝粉14份、碳化硅18份、水35份、分散剂3份、酚醛树脂13份。
所述发泡剂采用碳酸铵。
所述分散剂采用羧甲基纤维素。
所述步骤1中的所述的纳米二氧化硅的粒径为300nm，搅拌速度为300r/min。
步骤2中的搅拌速度均为1500r/min。
步骤3中的超声反应频率为13kHz，超声反应时间为20min，所述超声反应采用水浴超声，所述超声温度为35℃，所述低温固化温度为3℃。
步骤4中的升温烧结温度为450℃，所述升温烧结的升温速度为8℃/min，所述冷却采用自然冷却，所述醇洗采用无水乙醇进行浸泡洗涤。
步骤6中的共煮温度为100℃，所述低温固化温度为3℃。
步骤7中的活化方式为：(1)在空气中在280℃下烧结3h，(2)在氮气保护下以600℃烧结3h。
实施例1-3的实施例测试效果如下：
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例 | |
| 弯曲强度 | 20.3MPa | 22.2MPa | 23.7MPa | 18.7MPa |
| 拉伸强度 | 24.6MPa | 27.3MPa | 28.1MPa | 22.3MPa |
| 减重比例 | 8.2％ | 8.8％ | 9.7％ | |
| 导热系数 | 860W/m·K | 834W/m·K | 930W/m·K | 80W/m·K |
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其制备步骤如下：
步骤1，将纳米二氧化硅放入无水乙醇中，搅拌均匀形成溶胶状；
步骤2，将有机硅树脂与发泡剂加入至溶胶液中搅拌均匀，形成混合液，加入氧化铝和铝粉，搅拌均匀后形成悬浊浓缩液；
步骤3，将悬浊浓缩液进行超声反应，然后放入模具中低温固化，形成铝结构体；
步骤4，将铝结构体放入马弗炉中进行升温烧结3-5h，自然冷却后进行醇洗，得到铝发泡结构；
步骤5，将碳化硅粉末加入至水中，加入分散剂与酚醛树脂形成悬浊粘稠液；
步骤6，将铝发泡结构放入悬浊粘稠液共煮1-2h，然后取出低温固化，反复2-3次，得到包覆铝结构；
步骤7，将包覆铝结构进行活化反应，自然冷却后得到轻量化铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料的制备配方如下：
纳米二氧化硅3-8份、无水乙醇20-30份、有机硅树脂10-15份、发泡剂5-9份、氧化铝10-15份、铝粉12-16份、碳化硅15-20份、水30-40份、分散剂2-4份、酚醛树脂10-15份。
3.根据权利要求2所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述发泡剂采用碳酸铵。
4.根据权利要求2所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素或羧甲基纤维素中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的所述的纳米二氧化硅的粒径为100-500nm，搅拌速度为100-400r/min。
6.根据权利要求1所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中的搅拌速度均为1000-2000r/min。
7.根据权利要求1所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中的超声反应频率为10-15kHz，超声反应时间为10-30min，所述超声反应采用水浴超声，所述超声温度为30-50℃，所述低温固化温度为1-5℃。
8.根据权利要求1所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4中的升温烧结温度为400-500℃，所述升温烧结的升温速度为7-10℃/min，所述冷却采用自然冷却，所述醇洗采用无水乙醇进行浸泡洗涤。
9.根据权利要求1所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤6中的共煮温度为90-110℃，所述低温固化温度为1-4℃。
10.根据权利要求1所述的一种轻量化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤7中的活化方式为：(1)在空气中在250-300℃下烧结2-3h，(2)在氮气保护下以500-700℃烧结2-4h。
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