CN108213443A - 一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法，是基于文蛤壳与脉红螺壳质量轻、强度高、韧性好的结构共性与功能特性，采用热压烧结技术一次性制备成型，为工程中广泛应用的陶瓷/Al复合材料的强度与韧性共同提升提供一种新思路和新方法。本发明的技术方案是：以不同B₄C含量的B₄C/5083Al硬质层分别为外层、中间层和内层，并满足“软—最硬—较硬”和“软—较硬—最硬”的硬度变化模式，各硬质层之间采用柔韧的软质铝层进行连结，构成“层层复合”，“软硬相间”的结构形式。本发明所制备的仿生层状高强、高韧材料质量轻、力学强度高、制备过程简单、成本低，应用范围广。

Description

一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种仿生材料，特别涉及一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法。

背景技术

现代工业技术的快速发展对材料的综合性能以及在高温、高速、高载荷条件下服役的能力要求越来越高。材料要兼具轻质、高强度、高韧性等性能，这为工程材料的设计与制备提出了更高、更苛刻的要求。如何保证机械部件材料质量轻、强度高、韧性大是众多工程领域亟待解决的问题。陶瓷增强铝基复合材料把陶瓷增强相的高强度、高硬度、高弹性模量与铝基体的低密度、高韧性相结合，展现出了轻质、高强、高韧等良好的综合性能。然而，陶瓷增强相的加入在提高铝基复合材料比强度和比模量的同时，降低了材料的塑料与韧性，这成为铝基复合材料结构件服役期间主要失效模式之一，大大限制了其在高冲击力、高应力等环境下的应用。可见，同时提高陶瓷增强铝基体复合材料的强度、刚度、韧性，制备兼具轻质、高强、高韧的陶瓷/Al复合材料对于提高工程部件综合性能至关重要。为解决该问题，国内外研究人员不仅对陶瓷颗粒及Al基体改性，而且也对制备方法进行改进，但均存在较多的不足之处。比如：1、对界面的改性会导致一些低熔点物质气化的现象，造成产物中存在较高的气孔缺陷；2、对陶瓷相的改性会出现，陶瓷含量较低时，材料硬度不足；陶瓷含量过高时，难于控制陶瓷分布，易割裂基体材料，无法满足实际生产中对材料兼具多种性能的要求；3、改进制备工艺，易导致制备成本增加，限制适用范围。上述研究虽然取得了一定的进展与成效，但远远还不能满足复合材料在更为苛刻的应力条件下的应用，亟待进一步研究。

自然界有许多生物，如贝类、甲壳类动物、人和动物的骨骼与牙齿等，它们质量轻、硬度高、强度大、韧性好，这为提高陶瓷增强铝基复合材料性能提供了新的启示。文蛤与脉红螺作为典型的贝壳类生物，虽然结构形貌不同，但均表现出质量轻、强度高、韧性好的特点。这两种生物的壳类在结构特点上，均具有分层结构的共性。各层之间相互作用，使其壳体展现出优异的高强、高韧等力学特性，避免其遭受天敌的捕食。文蛤壳与脉红螺壳的分层结构共性为解决具有重大工程应用背景的材料强度、刚度与韧性共同提升的矛盾问题提供了崭新的设计思路。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中，陶瓷/Al复合材料轻质、高强、高韧功能相兼顾的问题，而提供一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法；

将文蛤壳和脉红螺壳的结构共性所具有的轻质、高强、高韧结构特性与功能原理应用到提升陶瓷/Al复合材料的强度与韧性设计制造中，本发明采用仿生学理念，以文蛤和脉红螺壳的结构共性为设计思路，设计并制备一种仿生高强、高韧材料，使其兼具轻质、高强、高韧的功能特性，为工程中广泛应用的陶瓷/Al复合材料的强度与韧性共同提升提供一种新思路、新途径和新方法。

本发明的技术方案是基于文蛤壳和脉红螺壳轻质、高强、高韧特性与原理，以B₄C/5083Al体系为硬质层，5083Al为软质层，采用热压烧结技术，设计并制备一种仿生层状高强、高韧材料，使其兼具质量轻、强度高、韧性好的功能，为工程中广泛应用的陶瓷/Al复合材料的强度与韧性共同提升提供一种新思路和新方法。

仿生层状高强、高韧材料以10wt.％～30wt.％B₄C/5083Al分别为各硬质层材料，各硬质层满足特定的硬度分布模式，各硬质层之间采用柔韧的5083Al层进行连结；在宏观上构成“层层复合”，“软硬相间”的结构形式；

一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法，其具体制备过程包括：硬质层材料的制备和仿生层状高强、高韧材料的制备两个阶段：

一、制备硬质层材料

a)首先，选取硬质层材料：分别选取纯度99.0％～99.7％，粒度23μm～30μm的5083Al粉和纯度99.0％～99.9％，粒度10μm～13μm B4C粉，B₄C粉的重量百分比为10wt.％～30wt.％；

b)然后进行混料：按照a中所述的配料比称取粉末，放入球磨机中进行混合，混合时间为8～10小时，随后手动搅拌0.5～1小时，以保证粉料充分混合均匀；

c)将混合均匀后的10wt.％～30wt.％B₄C/5083Al体系粉末按照不同的硬度排布模式设计，依次层层铺入内径尺寸85mm的石墨模具中，各B4C/5083Al层之间加入5083Al粉，每铺完一层粉料之后均用石墨压头进行简单的压实，所有粉料铺置完成之后，以10±1t压力将粉料在石墨模具中压制成预制块；

二、仿生层状高强、高韧材料的制备：

d)将含有预制块的石墨模具放入中频炉线圈中加热，整个制备过程采用红外测温装置测温，先将石墨模具升温至650～670℃，并保温10～15min，以保证充分熔化5083Al；

e)将石墨模具降温至550～600℃，并保温10～15min，通过中频炉的压力机以3～4t压力将石墨模具内的材料压实，并保压5～10min，最后关闭中频炉，石墨模具在空气条件下冷却，石墨模具充分冷却之后，卸模，取出制备出的仿生层状高强、高韧材料。

本发明的有益效果：

1、本发明是基于文蛤壳与脉红螺壳轻质、高强、高韧的分层结构特性与原理，以“层层复合”，“软硬相间”的结构模式为设计模本，以不同B₄C含量的B₄C/5083Al体系为硬质层，5083Al为软质层，将硬质层按照设计的硬度结构模式排布，各个硬质层通过软质层连接，利用热压烧结技术将硬质层与软质层通过冶金结合，牢固的烧结成一个整体。这种制备方法不但良好的解决了陶瓷/5083Al复合材料兼具轻质、高强、高韧功能的应用需求，而且制备成本低，效率高；

2、本发明的仿生层状高强、高韧材料在宏观和微观层面均具有优良的力学特性，宏观层面上，各硬质B₄C/5083Al层通过软硬相间的结构实现了材料硬度渐变的模式，硬质层与软质层，隔层交互排列，使得该材料在受到弯曲、压缩、冲击等载荷时，硬质层承受载荷，软质层通过塑性变形吸收与缓释应力，并且，各结构层能够重置裂纹在下一层的延伸方向，减缓裂纹的扩展，在微观层面，B₄C陶瓷交错分布在铝基体中，硬质相的B₄C陶瓷与软质相的5083Al共同构成了软硬相间的模式，该型材料的硬质层与软质层、硬质层中的软质相与硬质相分别相互耦合，在宏观和微观角度形成了“层层复合”，“软硬相间”的特性，除具备良好的力学特性外，其还具有轻质、高强、高韧的功能特性；

3、本发明所涉及的制备技术不受样件尺寸的限制，既可以应用在小尺寸抗冲击工程零部件的制造上，也可以应用于大尺寸抗冲击样件的制备。

附图说明

图1是本发明均质B₄C/5083Al材料中陶瓷颗粒的分布图；

图2是本发明不同B₄C含量的B₄C/5083Al材料XRD图；

图3是本发明仿文蛤壳高强、高韧材料分层结构图；

图4是本发明仿文蛤壳高强、高韧材料内层断口形貌及能谱图；

图5是本发明仿文蛤壳高强、高韧材料冲击断口图；

图6是本发明仿脉红螺壳高强、高韧材料分层结构图；

图7是本发明仿脉红螺壳高强、高韧材料内层断口形貌及能谱图；

图8是本发明仿脉红螺壳高强、高韧材料冲击断口图；

图9是本发明所制备出的仿生层状高强、高韧材料的力学性能对比表。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法，其具体制备过程包括：硬质层材料的制备和仿生层状高强、高韧材料的制备两个阶段：

实施例1：

制取不同B₄C含量的均质B₄C/5083Al复合材料

a)称取纯度99.0％～99.7％，粒度23μm～30μm的5083Al粉和纯度99.0％～99.9％，粒度10μm～13μm B₄C粉，以B₄C粉的质量分数10wt.％～30wt.％为基础，调配均质B₄C/5083Al的原始粉末；

b)将配好的原始粉末放入球磨机的混合8～10小时，随后手动搅拌0.5～1小时，以保证两种粉末均匀混合，将混合均匀的B₄C/5083Al粉末置入内径85mm的石墨模具中，并用10±1t压力将粉末压成预制块，将含有预制块的石墨模具放入中频炉线圈中加热，整个制备过程采用红外测温装置测温；

c)先将石墨模具升温至650～670℃，并保温10～15min，以保证充分熔化5083Al，随后，将石墨模具降温至550～600℃，并保温10～15min，通过中频炉的压力机以3～4t压力将石墨模具内的材料压实，并保压5～10min，最后待石墨模具降至室温后，卸模取样，B₄C陶瓷颗粒均匀分布在5083Al中，如图1所示，B₄C与5083Al基体反应生成了Al₃BC等化合物，使得陶瓷颗粒与基体之间形成牢固的冶金结合，如图2所示；

实施例2：

制取仿文蛤壳结构的仿生层状高强、高韧材料

a)从原始粉末中，称取纯度99.0％～99.7％，粒度23μm～30μm的5083Al粉和纯度99.0％～99.9％，粒度10μm～13μm B4C粉，将上述粉末按照B₄C含量为10wt.％～30wt.％的比例混合均匀，将20wt.％、30wt.％、10wt.％

B₄C-5083Al粉末按照文蛤壳“外层软—中间层最硬—内层较硬”的结构模式，依次放入模具中，各B₄C-5083Al层间铺入纯5083Al粉；

b)每种粉末置入石墨模具之后，均用石墨压头进行简单的压实，完成铺粉工作后，利用压力机在10±1t压力条件下将粉料在石墨模具中压制成预制块，将含有预制块的石墨模具整体放入中频炉线圈中加热，石墨模具先升温至650～670℃以熔化5083Al，并引发5083Al与B₄C间的反应，当在650～670℃保温10min后，降温至550～600℃，并保温10～15min；

c)通过中频炉的压力机以3～4t压力将石墨模具内的材料压实，完成5～10min保压之后，关闭中频炉，石墨模具随即在空气条件下冷却，取样，制备出的仿生层状高强、高韧材料各层之间具有良好的冶金结合，如图3所示，分层形式并未改变各层间物相组成，如图4所示，该型材料在受到冲击载荷时，能够通过软硬相间的层状结构化解与吸收载荷，体现了高强、高韧的特性，如图6所示；

实施例3：

制取仿脉红螺壳结构的仿生层状高强、高韧材料

a)称取纯度99.0％～99.7％，粒度23μm～30μm的5083Al粉和纯度99.0％～99.9％，粒度10μm～13μm B4C粉，以B₄C粉的质量分数10wt.％～30wt.％为基准，调配用于制备仿生层状高强、高韧材料的粉末；

b)将配好的原始粉末放入球磨机的混合8～10小时，随后手动搅拌0.5～1小时，以保证两种粉末均匀混合，将混合均匀后的10wt.％、20wt.％和30wt.％B₄C/5083Al体系粉末按照脉红螺壳“外层软—中间层较硬—内层最硬”的结构模式，依次层层铺入内径尺寸85mm的石墨模具中，各B₄C/5083Al层之间加入5083Al粉，每铺完一层粉料之后均用石墨压头进行简单的压实，所有粉料铺置完成之后，以10±1t压力将粉料在石墨模具中压制成预制块；

c)将含有预制块的石墨模具放入中频炉线圈中加热，整个制备过程采用红外测温装置测温，先将石墨模具升温至650～670℃，并保温10～15min，以保证充分熔化5083Al，随后，将石墨模具降温至550～600℃，并保10～15min，通过中频炉的压力机以3～4t压力将石墨模具内的材料压实，并保压5～10min，最后关闭中频炉，石墨模具在空气条件下冷却，最后待石墨模具降至室温后，卸模取样，所制备的仿生层状高强、高韧材料完整呈现出“层层复合”，“软硬相间”的结构特性，如图6所示，仿脉红螺壳的结构设计，并未改变各硬质层的物相组成，如图7所示，为仿生层状高强、高韧材料的高力学性能提供了稳定的材料保证，并通过各个硬质层与软质层相互结合，实现了“刚性强化冲击，韧性吸收应力”的仿生设计目标，如图8所示，均质陶瓷/5083Al复合材料无法同时具备良好的抗弯强度、断裂韧性、抗压强度和冲击韧性，但当各个B₄C/5083Al体系按照仿生的思想设计并制备后，整体呈现出优异的力学特性，除具备良好的力学特性外，其还具有低密度，兼具了轻质、高强、高抗冲击的功能特性。

Claims (1)

1.一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法，其具体制备过程包括：硬质层材料的制备和仿生层状高强、高韧材料的制备两个阶段：

一、制备硬质层材料

a)首先，选取硬质层材料：分别选取纯度99.0％～99.7％，粒度23μm～30μm的5083Al粉和纯度99.0％～99.9％，粒度10μm～13μm B4C粉，B₄C粉的重量百分比为10wt.％～30wt.％；

b)然后进行混料：按照a中所述的配料比称取粉末，放入球磨机中进行混合，混合时间为8～10小时，随后手动搅拌0.5～1小时，以保证粉料充分混合均匀；

c)将混合均匀后的10wt.％～30wt.％B₄C/5083Al体系粉末按照不同的硬度排布模式设计，依次层层铺入内径尺寸85mm的石墨模具中，各B4C/5083Al层之间加入5083Al粉，每铺完一层粉料之后均用石墨压头进行简单的压实，所有粉料铺置完成之后，以10±1t压力将粉料在石墨模具中压制成预制块；

二、仿生层状高强、高韧材料的制备：

d)将含有预制块的石墨模具放入中频炉线圈中加热，整个制备过程采用红外测温装置测温，先将石墨模具升温至650～670℃，并保温10～15min，以保证充分熔化5083Al；

e)将石墨模具降温至550～600℃，并保温10～15min，通过中频炉的压力机以3～4t压力将石墨模具内的材料压实，并保压5～10min，最后关闭中频炉，石墨模具在空气条件下冷却，石墨模具充分冷却之后，卸模，取出制备出的仿生层状高强、高韧材料。