CN107641738A - 一种二硫化钼/铝复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种二硫化钼/铝复合材料及其制备方法，它涉及铝基复合材料技术领域，具体涉及一种铝基复合材料及其制备方法。本发明是要解决现有二硫化钼/铝复合材料制备方法仅适用于低体积分数复合材料的制备，制备的材料性能较差的问题。1、按体积配比称取二硫化钼和含铝材料；2、将二硫化钼和含铝材料放入球磨罐中，利用机械球磨制成混合粉体；3、将混合粉体倒入石墨模具中，在压力机上预压成型，得到预制体；4、将预制体进行放电等离子烧结；5、降温冷却至室温后脱模即得二硫化钼/铝复合材料。本发明二硫化钼/铝复合材料具有低摩擦系数以及良好的强度和弹性模量，二硫化钼颗粒分布均匀无团聚、大小和含量可任意调控，致密度高、性能好。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料技术领域，具体涉及一种铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
二硫化钼是一种典型的二维层状材料，每个二硫化钼片层由(S-Mo-S)三原子层组成，相邻二硫化钼片层之间的层间距为0.65nm，层内通过S-Mo共价键结合，层间通过范德华力堆叠在一起。这种独特的二维层状结构，使二硫化钼具有优异的力学、化学、热学及催化性能，特别是润滑性能。二硫化钼较弱的层间结合强度和较大的层间距离使其在平行于层的平面方向具有极低的剪切强度，而在垂直方向则具有极高的强度和硬度，因而二硫化钼具有极低的滑动摩擦系数，可达0.02。此外，二硫化钼可以在基体表面形成牢固粘附的薄膜。二硫化钼的这些性质，使其成为一种优异的固体润滑材料。将二硫化钼加入到铝合金中可以显著降低铝合金的摩擦系数，得到一种自润滑功能材料。
二硫化钼/铝复合材料的制备目前主要采用搅拌铸造方法，二硫化钼质量百分含量≤5％，所用铝合金主要为流动性好的Al-Si合金。搅拌铸造方法通常仅适用于低体积分数复合材料的制备，当二硫化钼颗粒含量较大时，会使熔体粘度增大，导致熔体流动性变差，影响熔体的铸造性能，出现颗粒分布不均匀和孔隙等缺陷。此外，由于二硫化钼颗粒密度比铝合金密度高，使用搅拌铸造法制备二硫化钼/铝复合材料也容易出现二硫化钼颗粒的沉淀造成宏观组织偏析，从而影响复合材料性能。
发明内容
本发明是要解决现有二硫化钼/铝复合材料制备方法仅适用于低体积分数复合材料的制备，制备的材料性能较差的问题，而提供一种二硫化钼/铝复合材料及其制备方法。
一种二硫化钼/铝复合材料按体积分数由1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料制成；所述二硫化钼颗粒的粒度为0.1μm～20μm；所述的含铝材料为铝或铝合金，含铝材料的粒度为5μm～70μm。
本发明一种二硫化钼/铝复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按体积分数称取1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料；所述二硫化钼颗粒的粒度为0.1μm～20μm；所述的含铝材料为铝或铝合金；含铝材料的粒度为5μm～70μm；
二、将步骤一称取的1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料放入球磨罐中，在转速为100r/min～500r/min的条件下球磨0.5h～4h，得到混合粉体；
三、将步骤二得到的混合粉体倒入石墨模具中，在压力为5MPa～15MPa的条件下保压5min～20min，预压成型，得到预制体；
四、将步骤三得到的预制体连同石墨模具一起置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以30℃/min～120℃/min的升温速率将放电等离子烧结炉内的温度由室温升温至500℃～650℃，施加30MPa～50MPa压力烧结2min～20min，随炉冷却至室温，脱模，得到二硫化钼/铝复合材料。
本发明的有益效果是：
本发明通过粉料配比、粉料粒度、球磨参数、烧结工艺及参数的协同作用，得到了致密度高，具有自润滑效果的二硫化钼/铝复合材料。本发明的优点是：(1)二硫化钼的含量可以任意、精确调控，从而可以有效控制二硫化钼/铝复合材料的摩擦性能和力学性能；(2)制备工艺简单高效，对二硫化钼的来源、形貌和粒径无特殊要求，也不需要进行前处理；对铝粉的粒径和形状也无特殊要求，不需要进行表面改性处理；(3)放电等离子烧结的制备压力小、温度较低，烧结时间短，能耗低；制备周期短。(4)与一般搅拌铸造工艺相比，本发明制备的二硫化钼/铝复合材料中二硫化钼分布均匀，不存在明显团聚或偏析，致密度高。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种二硫化钼/铝复合材料按体积分数由1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料制成；所述二硫化钼颗粒的粒度为0.1μm～20μm；所述的含铝材料为铝或铝合金，含铝材料的粒度为5μm～70μm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述二硫化钼/铝复合材料按体积分数由5％的二硫化钼颗粒和95％的含铝材料制成。其他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不同的是：所述二硫化钼/铝复合材料按体积分数由25％的二硫化钼颗粒和75％的含铝材料制成。其他与具体实施方式一或二相同。
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：所述二硫化钼/铝复合材料按体积分数由40％的二硫化钼颗粒和60％的含铝材料制成。其他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：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-Si-Cu-Mg合金和Ai-Zn-Mg合金中的一种或其中几种的组合。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式一种二硫化钼/铝复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按体积分数称取1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料；所述二硫化钼颗粒的粒度为0.1μm～20μm；所述的含铝材料为铝或铝合金；含铝材料的粒度为5μm～70μm；
二、将步骤一称取的1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料放入球磨罐中，在转速为100r/min～500r/min的条件下球磨0.5h～4h，得到混合粉体；
三、将步骤二得到的混合粉体倒入石墨模具中，在压力为5MPa～15MPa的条件下保压5min～20min，预压成型，得到预制体；
四、将步骤三得到的预制体连同石墨模具一起置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以30℃/min～120℃/min的升温速率将放电等离子烧结炉内的温度由室温升温至500℃～650℃后，施加30MPa～50MPa压力烧结2min～20min，随炉冷却至室温，脱模，得到二硫化钼/铝复合材料。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中按体积分数称取40％的二硫化钼颗粒和60％的含铝材料。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤二中所述球磨的球料比为(1～10):1。其他与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤二中所述球磨的磨球直径为3mm～20mm，磨球材质为不锈钢、刚玉、玛瑙或氧化锆。其他与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：步骤四中以30℃/min～120℃/min的升温速率将放电等离子烧结炉内的温度由室温升温至520℃～600℃。其他与具体实施方式六至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种二硫化钼/铝复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按体积分数称取5％的二硫化钼颗粒和95％的含铝材料；所述二硫化钼颗粒的粒度为1μm；所述的含铝材料为6061铝合金；含铝材料的粒度为10μm；
二、将步骤一称取的5％的二硫化钼颗粒和95％的含铝材料放入球磨罐中，在转速为200r/min的条件下球磨3h，得到混合粉体；所述球磨的球料比为3:1；
三、将步骤二得到的混合粉体倒入石墨模具中，在压力为10MPa的条件下保压5min，预压成型，得到预制体；
四、将步骤三得到的预制体连同石墨模具一起置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以50℃/min的升温速率将放电等离子烧结炉内的温度由室温升温至550℃后，施加40MPa压力烧结10min，随炉冷却至室温，脱模，得到二硫化钼/铝复合材料。
本实施例所得复合材料组织致密，不存在明显孔洞，复合材料中二硫化钼颗粒分布均匀，无偏析现象；抗拉强度为280MPa，采用销盘式磨损试验机在滑动速率0.2m/s、载荷0.5N、大气条件下与GCr15轴承钢对磨时测得的摩擦系数为0.25。
Claims (10)
1.一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于二硫化钼/铝复合材料按体积分数由1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料制成；所述二硫化钼颗粒的粒度为0.1μm～20μm；所述的含铝材料为铝或铝合金，含铝材料的粒度为5μm～70μm。
2.根据权利要求1所述的一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于所述二硫化钼/铝复合材料按体积分数由5％的二硫化钼颗粒和95％的含铝材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于所述二硫化钼/铝复合材料按体积分数由25％的二硫化钼颗粒和75％的含铝材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于所述二硫化钼/铝复合材料按体积分数由40％的二硫化钼颗粒和60％的含铝材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于所述铝合金为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-Si-Cu-Mg合金和Ai-Zn-Mg合金中的一种或其中几种的组合。
6.如权利要求1所述一种二硫化钼/铝复合材料的制备方法，其特征在于二硫化钼/铝复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按体积分数称取1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料；所述二硫化钼颗粒的粒度为0.1μm～20μm；所述的含铝材料为铝或铝合金；含铝材料的粒度为5μm～70μm；
二、将步骤一称取的1％～50％的二硫化钼颗粒和50％～99％的含铝材料放入球磨罐中，在转速为100r/min～500r/min的条件下球磨0.5h～4h，得到混合粉体；
三、将步骤二得到的混合粉体倒入石墨模具中，在压力为5MPa～15MPa的条件下保压5min～20min，预压成型，得到预制体；
四、将步骤三得到的预制体连同石墨模具一起置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以30℃/min～120℃/min的升温速率将放电等离子烧结炉内的温度由室温升温至500℃～650℃后，施加30MPa～50MPa压力烧结2min～20min，随炉冷却至室温，脱模，得到二硫化钼/铝复合材料。
7.根据权利要求6所述的一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于步骤一中按体积分数称取40％的二硫化钼颗粒和60％的含铝材料。
8.根据权利要求6所述的一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于步骤二中所述球磨的球料比为(1～10):1。
9.根据权利要求6所述的一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于步骤二中所述球磨的磨球直径为3mm～20mm，磨球材质为不锈钢、刚玉、玛瑙或氧化锆。
10.根据权利要求6所述的一种二硫化钼/铝复合材料，其特征在于步骤四中以30℃/min～120℃/min的升温速率将放电等离子烧结炉内的温度由室温升温至520℃～600℃。
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