CN107164661B - 一种高耐腐蚀性铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种高耐腐蚀性铝合金复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于高性能铝合金复合材料技术领域，具体涉及一种高耐腐蚀性铝合金复合材料及其制备方法。本发明所述铝合金复合材料，包括铝合金复合材料和耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层是碳硼烷‑液体氟聚合物涂层。本发明所述的铝合金复合材料具有优异的高耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于高性能铝合金复合材料技术领域，具体涉及一种高耐腐蚀性铝合金复合材料及其制备方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中得到广泛应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，铝合金的需求日益增多，随着现在科学技术的不断提高，铝合金的性能也必需随之提高，才能满足人们对产品越来越高的要求，而现有的铝合金的耐腐蚀性能欠缺，从而限制了其使用。
碳硼烷，是由二十面体硼烷结构中的两个BH单元被两个等电荷的CH+单元所取代而形成的，碳硼烷有三种构型：笼状、巢状和网状，其中笼状属于封闭式，巢状和网状属于开放式，其中笼状的碳硼烷数量最多也最稳定。其中，在众多的碳硼烷分子中，二碳代-闭式-十二卡硼烷(C2B10Hl2)，尤其引人注目，常简称为碳硼烷，其由两个碳原子、十个硼原子构成，具有二十面体结构。碳硼烷的笼式结构使其具有很高的热稳定性和化学稳定性，即便是700℃高温或氧化剂、强酸和碱存在下，碳硼烷的性质还是相当稳定。它的笼式结构具有类似于立体苯环一样的超芳香性，碳硼烷体系的缺电子性使相邻键离子化程度增加，稳定性增加，独特的几何形状以及硼原子核的高中子俘获截面，由于其显著的稳定性能。液体氟弹性体，相比起传统的氟弹性体，分子量较低，具有更好的加工性能，而且其化学性能，特别是耐化学品性能优良。
利用碳硼烷-液体氟聚合物涂层来增强铝合金，可以大大提高其的化学稳定性、耐高温稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是研制出一种高耐腐蚀性铝合金复合材料，本发明所述的铝合金复合材料具有优异的高耐腐蚀性能。
本发明的技术方案为：
一种高耐腐蚀性铝合金复合材料，包括铝合金复合材料和耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂
层是碳硼烷-液体氟聚合物涂层。
作为优选，所述碳硼烷-液体氟聚合物由以下方法制备：将高压反应釜通氮气，置换气氛，然后通氮气条件下依次加入端羧基液体氟聚合物的四氢呋喃溶液,1,7-二羟甲基碳硼烷,二环己基碳二亚胺,4-二甲氨基吡啶,对甲基苯磺酸，于70℃、1.0Mpa条件下搅拌反应48h，冷却至室温，放料，过滤，滤液通过柱色谱分离方法，用石油醚：乙酸乙酯＝10:1的淋洗液淋洗，然后用四氢呋喃冲洗吸附在硅胶上的物质，直到黄色褪去，收集淋洗液，旋蒸溶剂，产物于70℃下真空干燥12h，得到所述碳硼烷-液体氟聚合物。
作为优选，所述铝合金复合材料由二碳代-闭式-十二卡硼烷增强相和铝合金基体组成，包括25wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和75wt.％铝合金。
作为优选，所述铝合金的化学成分包括：
1.0～2wt％的Fe；
0.3～0.5wt％的Cu；
0.8～1.3wt％的Co；
1.0～1.5wt％的Be；
0.5～1.0wt％的Ni；
0.3～0.8wt％的Mo；
0.3～0.5wt％的RE；
余量为铝。
作为优选，所述所述铝合金的化学成分包括：
1.8wt％的Fe；
0.8wt％的Cu；
1.0wt％的Co；
1.3wt％的Be；
0.6wt％的Ni；
0.5wt％的Mo；
0.3wt％的RE；
余量为铝。
作为优选，所述稀土元素RE为Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的一种或多种。
作为优选，所述端羧基液体氟聚合物是偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物中的一种。
本发明的目的之二是提供一种高耐腐蚀性铝合金复合材料的制备方法，本发明采用如下技术方案：
一种高耐腐蚀性铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末和铝合金各原料粉体进行烘干处理，然后放入“V”型混粉机中，在转速35r/min的条件下混合36h；
(2)将步骤1制得的混合粉体放入VC高效混合机中，在转速120r/min的条件下混合60min；
(3)将步骤1制得的混合粉体置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没全部磨球时开始球磨，球料比为30∶1，球磨4～6小时；
(4)将球磨混合均匀的复合粉末装在预先制好的石墨模具内，在等离子活化烧结炉内进行表面活化处理，加载时间3～5min、电压30kV、电流80A；然后在等离子活化烧结炉内进行等离子活化烧结，升温速率40℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加的压力为25～30MPa，烧结温度550℃，保温时间10min；
(5)将烧结后的试样在400℃条件下下保温5h，然后淬火，淬火后在100℃下保温40h，即得到所述铝合金复合材料；
(6)将上述所得铝合金复合材料表面打磨后清洗，然后浸入阿罗丁液，在复合材料表面镀上阿罗丁膜；
(7)将碳硼烷-液体氟聚合物溶解于THF中，加入HDI三聚体、二月桂酸二丁基锡，充分搅拌均匀，然后将搅拌均匀的溶液涂覆在步骤6所得复合材料表面，在60℃条件下抽真空除溶剂，在80℃条件固化4h，然后烘干完成涂覆，即得到所述高耐腐蚀性铝合金复合材料。
本发明的有益效果
(1)本发明利用碳硼烷-液体氟聚合物涂层来增强铝合金的耐腐蚀性能，所得产物的耐化学腐蚀性能得到了较大提升。液体氟弹性体具有优异的耐化学品性能，而碳硼烷具有优异的耐高温性能和化学稳定性，将两者的聚合物作为涂料涂覆在铝合金表面，可以大大提高铝合金的耐腐蚀性能。本发明所述的铝合金复合材料，是利用碳硼烷来增强铝合金，所得产物的稳定性能得到了较大提升。本发明所用铝合金中添加了各种元素，可以在合金中形成高温强化相，提高合金的耐热性，可防止合金元素的氧化、烧损和吸气，提高合金的冶炼质量；碳硼烷的笼式结构使其具有很高的热稳定性和化学稳定性，即便是700℃高温或氧化剂、强酸和碱存在下，碳硼烷的性质还是相当稳定，碳硼烷的加入可以大大增强铝合金材料的热稳定性和化学稳定性。本发明的铝合金中含有锡、锗，锡和锗都可以降低铝的熔点，起到助熔剂的作用，使其可以在较低温度下熔融，降低了加工温度。
(2)本发明所述的高耐腐蚀性铝合金复合材料的制备工艺，将碳硼烷粉末和铝合金原料粉末混料，通过表面活化、等离子活化烧结，在烧结过程中，颗粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递得到促进，晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散和晶粒扩散都得到加强，加快了致密化过程，并且升温速度快，保温时间短，实现铝基复合材料的快速烧结，不仅可以节约能量、节约时间、提高设备效率，而且抑制了晶粒的长大，所得烧结样品晶粒均匀，致密度高，力学性能好。在低温下实现铝基复合材料的致密化，防止了铝基体与碳硼烷颗粒之间发生反应，再进行热处理获得纳米尺寸分布的时效析出强化相，最终使得铝基体组织处于多相细小弥散分布，以及碳硼烷颗粒强化相均匀分布状态，制备出接近全致密的高性能烧结试样。
具体实施方式
实施例1
一种高耐腐蚀性铝合金复合材料，包括铝合金复合材料和耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层是碳硼烷-液体氟聚合物涂层。
所述碳硼烷-液体氟聚合物由以下方法制备：将高压反应釜通氮气，置换气氛，然后通氮气条件下依次加入端羧基液体氟聚合物(偏氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯共聚物，羧基质量百分含量为2.01％，数均分子量Mn＝3500，重均分子量Mw＝1.6×103)的四氢呋喃溶液、1,7-二羟甲基碳硼烷、二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶、对甲基苯磺酸，于70℃、1.0Mpa条件下搅拌反应48h，冷却至室温，放料，过滤，滤液通过柱色谱分离方法，用石油醚：乙酸乙酯＝10:1的淋洗液淋洗，然后用四氢呋喃冲洗吸附在硅胶上的物质，直到黄色褪去，收集淋洗液，旋蒸溶剂，产物于70℃下真空干燥12h，得到所述碳硼烷-液体氟聚合物，产率88％，产物的GPC表征结果显示其数均分子量为3900，重均分子量Mw＝2.3×103。红外测试结果：FTIR,ν(cm-1,KBr压片):2996,3034(-CH2-),2600(BH),1766,1720(C＝O),1670(C＝C),1390(-FCH2),1200(-CF2-),886(-CF3),720(C-C)。
作为优选，所述铝合金复合材料由二碳代-闭式-十二卡硼烷增强相和铝合金基体组成，
包括25wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和75wt.％铝合金。
作为优选，所述所述铝合金的化学成分包括：
1.8wt％的Fe；
0.8wt％的Cu；
1.0wt％的Co；
1.3wt％的Be；
0.6wt％的Ni；
0.5wt％的Mo；
0.3wt％的RE；
余量为铝。
作为优选，所述稀土元素RE为Sm和Lu。
实施例2
一种高耐腐蚀性铝合金复合材料，包括铝合金复合材料和耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层是碳硼烷-液体氟聚合物涂层。
所述碳硼烷-液体氟聚合物由以下方法制备：将高压反应釜通氮气，置换气氛，然后通氮气条件下依次加入端羧基液体氟聚合物(偏氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯共聚物，羧基质量百分含量为2.01％，数均分子量Mn＝3500，重均分子量Mw＝1.6×103)的四氢呋喃溶液、1,7-二羟甲基碳硼烷、二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶、对甲基苯磺酸，于70℃、1.0Mpa条件下搅拌反应48h，冷却至室温，放料，过滤，滤液通过柱色谱分离方法，用石油醚：乙酸乙酯＝10:1的淋洗液淋洗，然后用四氢呋喃冲洗吸附在硅胶上的物质，直到黄色褪去，收集淋洗液，旋蒸溶剂，产物于70℃下真空干燥12h，得到所述碳硼烷-液体氟聚合物，产率88％，产物的GPC表征结果显示其数均分子量为3900，重均分子量Mw＝2.3×103。红外测试结果：FTIR,ν(cm-1,KBr压片):2996,3034(-CH2-),2600(BH),1766,1720(C＝O),1670(C＝C),1390(-FCH2),1200(-CF2-),886(-CF3),720(C-C)。
作为优选，所述铝合金复合材料由二碳代-闭式-十二卡硼烷增强相和铝合金基体组成，包括25wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和75wt.％铝合金。
作为优选，所述铝合金的化学成分包括：
1.0wt％的Fe；
0.5wt％的Cu；
1.3wt％的Co；
1.0wt％的Be；
0.5wt％的Ni；
0.3wt％的Mo；
0.5wt％的RE；
余量为铝。
作为优选，所述稀土元素RE为Dy。
实施例3
一种高耐腐蚀性铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末和铝合金各原料粉体进行烘干处理，然后放入“V”型混粉机中，在转速35r/min的条件下混合36h；
(2)将步骤1制得的混合粉体放入VC高效混合机中，在转速120r/min的条件下混合60min；
(3)将步骤1制得的混合粉体置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没全部磨球时开始球磨，球料比为30∶1，球磨4～6小时；
(4)将球磨混合均匀的复合粉末装在预先制好的石墨模具内，在等离子活化烧结炉内进行表面活化处理，加载时间3～5min、电压30kV、电流80A；然后在等离子活化烧结炉内进行等离子活化烧结，升温速率40℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加的压力为25～30MPa，烧结温度550℃，保温时间10min；
(5)将烧结后的试样在400℃条件下下保温5h，然后淬火，淬火后在100℃下保温40h，即得到所述铝合金复合材料；
(6)将上述所得铝合金复合材料表面打磨后清洗，然后浸入阿罗丁液，在复合材料表面镀上阿罗丁膜；
(7)将碳硼烷-液体氟聚合物溶解于THF中，加入HDI三聚体、二月桂酸二丁基锡，充分搅拌均匀，然后将搅拌均匀的溶液涂覆在步骤6所得复合材料表面，在60℃条件下抽真空除溶剂，在80℃条件固化4h，然后烘干完成涂覆，即得到所述高耐腐蚀性铝合金复合材料。
实施例4
对本发明实施例1、2所得铝合金复合材料在常温、常压下进行性能测试，与现有技术相比结果如表1所示。
表1.机械性能测试结果
| 名称 | 实施例1 | 实施例2 | 现有技术 |
| 屈服强度/MPa | 648 | 645 | 280 |
| 拉伸强度/MPa | 703 | 708 | 322 |
| 弹性模量GPa | 245 | 250 | 208 |
| 硬度/HV | 197 | 195 | 120 |
| 抗弯强度/MPa | 655 | 658 | 302 |
通过表1可以看出，本发明所得铝合金复合材料与现有技术相比，在屈服强度、拉伸强度、硬度、弹性模量和抗弯强度方面都得到了明显提升，具有优异的机械性能。
对本发明实施例1、2所得铝合金复合材料通过浸泡法进行耐航空煤油，耐酸，耐碱，耐溶剂性能测试，于25℃在各种介质中浸泡120h的质量增加见表2。
表2.化学稳定性能测试结果
通过表2可以看出，本发明所得铝合金复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
将本发明实施例1、2所得铝合金复合材料在600℃下5h，然后常温测试其力学性能，测试结果如表3所示。
表3.耐热稳定性能测试
| 名称 | 实施例1 | 实施例2 |
| 屈服强度/MPa | 645 | 643 |
| 拉伸强度/MPa | 702 | 701 |
| 弹性模量/GPa | 240 | 247 |
| 硬度/HV | 197 | 195 |
| 抗弯强度/MPa | 653 | 658 |
由表3可以看出，本发明所得铝合金复合材料在600℃下5h后其屈服强度、拉伸强度、硬度、弹性模量和抗弯强度相差不大，说明本发明所得铝合金复合材料具有优异的耐热稳定性能。
Claims (5)
1.一种高耐腐蚀性铝合金复合材料，其特征在于，包括铝合金复合材料和耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层是碳硼烷-液体氟聚合物涂层，所述铝合金复合材料由二碳代-闭式-十二卡硼烷增强相和铝合金基体组成，包括25wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和75wt.％铝合金，所述铝合金的化学成分包括：
1.0～2wt％的Fe；
0.3～0.5wt％的Cu；
0.8～1.3wt％的Co；
1.0～1.5wt％的Be；
0.5～1.0wt％的Ni；
0.3～0.8wt％的Mo；
0.3～0.5wt％的RE；
余量为铝；
所述高耐腐蚀性铝合金复合材料由以下方法制备：
(1)将二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末和铝合金各原料粉体进行烘干处理，然后放入“V”型混粉机中，在转速35r/min的条件下混合36h；
(2)将步骤1制得的混合粉体放入VC高效混合机中，在转速120r/min的条件下混合60min；
(3)将步骤1制得的混合粉体置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没全部磨球时开始球磨，球料比为30∶1，球磨4～6小时；
(4)将球磨混合均匀的复合粉末装在预先制好的石墨模具内，在等离子活化烧结炉内进行表面活化处理，加载时间3～5min、电压30kV、电流80A；然后在等离子活化烧结炉内进行等离子活化烧结，升温速率40℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加的压力为25～30MPa，烧结温度550℃，保温时间10min；
(5)将烧结后的试样在400℃条件下保温5h，然后淬火，淬火后在100℃下保温40h，即得到铝合金复合材料；
(6)将上述所得铝合金复合材料表面打磨后清洗，然后浸入阿罗丁液，在复合材料表面镀上阿罗丁膜；
(7)将碳硼烷-液体氟聚合物溶解于THF中，加入HDI三聚体、二月桂酸二丁基锡，充分搅拌均匀，然后将搅拌均匀的溶液涂覆在步骤6所得复合材料表面，在60℃条件下抽真空除溶剂，在80℃条件固化4h，然后烘干完成涂覆，即得到所述高耐腐蚀性铝合金复合材料。
2.根据权利要求1所述高耐腐蚀性铝合金复合材料，其特征在于：所述碳硼烷-液体氟聚合物由以下方法制备：将高压反应釜通氮气，置换气氛，然后通氮气条件下依次加入端羧基液体氟聚合物的四氢呋喃溶液,1,7-二羟甲基碳硼烷,二环己基碳二亚胺,4-二甲氨基吡啶,对甲基苯磺酸，于70℃、1.0Mpa条件下搅拌反应48h，冷却至室温，放料，过滤，滤液通过柱色谱分离方法，用石油醚：乙酸乙酯＝10:1的淋洗液淋洗，然后用四氢呋喃冲洗吸附在硅胶上的物质，直到黄色褪去，收集淋洗液，旋蒸溶剂，产物于70℃下真空干燥12h，得到所述碳硼烷-液体氟聚合物。
3.根据权利要求1所述高耐腐蚀性铝合金复合材料，其特征在于：所述铝合金的化学成分包括：
1.8wt％的Fe；
0.8wt％的Cu；
1.0wt％的Co；
1.3wt％的Be；
0.6wt％的Ni；
0.5wt％的Mo；
0.3wt％的RE；
余量为铝。
4.根据权利要求1所述高耐腐蚀性铝合金复合材料，其特征在于：所述稀土元素RE为Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述高耐腐蚀性铝合金复合材料，其特征在于：所述端羧基液体氟聚合物是偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物中的一种。
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