CN108274007A - 一种仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备方法，将具有不同硬度值的Al‑Ti‑B₄C硬质层与发泡铝软质层按照“较硬—软—最硬”的硬度排布模式进行刚柔耦合，通过热爆燃烧合成法一次性制备出仿生刚柔耦合抗冲击材料，在宏观上，硬质层与软质层刚柔性耦合，其中，软质层利用发泡铝形成多孔结构吸收冲击应力，硬质层在微观由刚性陶瓷与韧性铝组成，具有刚柔耦合特性，兼具了强度与韧性。本发明所制备出的仿生刚柔耦合抗冲击材料通过“刚性强化冲击，韧性吸收应力”的耦合特性展现出良好的冲击韧性，而且生产成本低，加工制造方便，适用范围广，为解决工程中材料抗冲击性能的提升提供了一种行之有效的新方法。

Description

一种仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种仿生材料，特别涉及一种仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备方法。

背景技术

随着现代工程技术的发展，材料的冲击损伤越来越多的出现在航空、航天、军工等众多工程领域。由冲击损伤导致的材料失效严重危害机械零部件及仪器设备的稳定运行，对国民经济发展和人民生命财产安全造成了重大损失。因此，提高材料抵抗冲击载荷的能力是众多工程领域内亟待解决的问题。为了解决该问题，国内外学者开展了大量的研究工作，主要集中在：(1)基体改性，即降低陶瓷相含量，在Al基体中形成一定含量的Al-Me(Me代指金属)金属间化合物，从而保证在一定强度的基础上，提高材料冲击韧性；(2)界面改性，即改善陶瓷相在基体中的分布，加强陶瓷相与基体界面结合强度；(3)制备方法改进，根据不同工程领域结构件承受载荷特点，采用不同制备方法，如粉末冶金、铸造法、熔体浸渗法等；(4)陶瓷相改性，即控制陶瓷相的生长方式、形态、尺寸等。这些方法虽然取得了一定成效，但远远还不能满足在更为苛刻的高冲击力条件下应用，亟待进一步研究。

自然界中诸多具有高抗冲击性能的生物为抗冲击材料的设计提供了研究思路。例如，贝壳的珍珠层是由易碎的硬质陶瓷碳酸钙和柔韧的有机质以“砖泥”结构交替层叠排列组成，这两种材料本身并不具备良好的力学性能，但二者以“砖泥”结构软、硬交替、层叠组合，不仅质量轻、硬度高，而且其断裂韧性比单相碳酸钙提高约3000倍。海螺壳有三层结构，最外层是较硬的颗粒状硫化铁，中间层是柔软的有机物，内层是由多层结构构成的超硬钙化物。在受到外力攻击时，分层结构不仅有利于应力的扩散，较硬的外层与内层能够承受刚性冲击，较软的中间层能够吸收大部分冲击能量，防止壳破裂。啄木鸟的头部通过呈不同多孔构造的材料层层复合，利用材料孔隙吸收和削弱冲击力，在其频繁、快速撞击树干觅食时，头部可反复承受巨大冲击力。这些具有优良抗冲击功能特性的生物，通过特殊的结构和多相材料“刚柔耦合”兼具了轻质、高强、抗冲击等特性，这为提高工程中所用材料的抗冲击性能提供了重要的仿生设计思路。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中，工程领域内材料冲击损伤等问题，而提供一种仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备方法；本发明采用仿生学理念，以“刚柔耦合”为出发点，寻找一种有效的仿生抗冲击材料设计方法，开发工艺简单、成本低、应用范围广、抗冲击性能高的制备工艺，为制备出高冲击载荷工况下应用的仿生刚柔耦合抗冲击材料提供了新思路、新途径，并奠定良好的技术基础。

本发明的技术方案是基于生物体刚柔耦合结构所具有优良抗冲击性能的原理，以Al-Ti-B4C体系为主体材料。通过不同的Al含量调控Al-Ti-B4C体系的硬度值，将具有不同硬度值的Al-Ti-B4C体系与发泡铝，按照“较硬—软—最硬”的硬度排布模式进行刚柔耦合。通过热爆燃烧合成法，制备出一种具有高抗冲击性能的仿生耦合抗冲击材料。

一种具有高抗冲击性能的仿生耦合抗冲击材料，具体工艺过程包括Al-Ti-B₄C粉体的调配和仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备两个阶段：

一、Al-Ti-B4C粉体的调配：

a)选取材料：Al-Ti-B4C粉体是由材料呈现粉末状，主要是由纯度99.0％～99.7％，粒度48μm～58μm的Al粉、纯度99.0％～99.5％，粒度13μm～23μm Ti粉和纯度98％～99％，粒度13μm～10μm的B₄C粉组成，其中，Al粉的质量百分比为30wt.％～50wt.％，实验所用发Al粉、Ti粉、B₄C粉中，Ti和B₄C的摩尔比为3:1；

b)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10±1小时；

c)将混合均匀后的40wt.％～30wt.％Al-Ti-B₄C体系的粉末采用层层铺叠的形式，依次置入石墨模具中，各Al-Ti-B₄C层之间铺置发泡铝粉，每铺完一层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8±1t压力条件下将粉料在石墨模具中压制成预制块；

二、仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备

a)将带有预制块的石墨模具整体放入中频炉线圈中加热，采用红外测温装置测温，升温至816±10℃逐渐引燃各个Al-Ti-B₄C体系，燃烧合成反应发生后随即保温5～10min，为保证后续加压过程中铝液不被挤出模具，在806±5℃保温结束后，令整个体系降温到660±5℃继续保温并加压，所加压力为6±1t，并保压5～10min；

b)保压过程结束后，令石墨模具在空气中冷却，待石墨模具冷却之后，卸模取样，所制备的抗冲击材料中，各个Al-Ti-B₄C体系与发泡铝之间产生了牢固的冶金结合，至此制备出了仿生刚柔耦合抗冲击材料。

本发明的有益效果：

1、本发明是基于生物体“刚柔耦合”结构所具有优良抗冲击性能的原理，利用热爆燃烧合成法，将具有高硬度、高强度、高弹性模量的Al-Ti-B₄C复合材料与具有高韧性、高吸能性的发泡铝烧结成一个整体，制备出的仿生耦合抗冲击材料的各组成部分均具有良好的结合强度，这种制备方法简化了加工步骤，节省生产成本，提高了加工效率；

2、从宏观和微观上观察该型仿生刚柔耦合抗冲击材料，宏观上，仿生刚柔耦合抗冲击材料以不同Al含量的Al-Ti-B₄C体系作硬质层，Al-Ti-B₄C体系能通过热爆燃烧合成生成TiC/TiB₂增强Al基复合材料，该复合材料具有很高的硬度及力学强度，软质层由发泡铝构成，通过TiH在高温条件下分解产生的H₂，能使Al基体产生类似啄木鸟头骨的多孔结构，具有良好的吸能、减震的特性，硬质层在仿生刚柔耦合抗冲击材料中按照“较硬—软—最硬”的形式从上往下排布，各硬质层间以发泡铝层连接，共同构成了宏观“刚柔耦合”的结构；

在微观上，TiC-TiB₂/Al复合硬质是由TiC和TiB₂硬质陶瓷与铝基体组成，TiC和TiB₂硬质陶瓷交错分布，之间由韧性较好的铝基体粘结，具有软、硬相互耦合的特性，实现了生物模本功能的仿生高效再现；

3、本发明所涉及的制备技术既可以应用在小型抗冲击件的制造上也可以应用在大型抗冲击零部件的加工制造上。

附图说明

图1是本发明Al-Ti-B4C均质复合材料样品图；

图2是本发明刚柔耦合结构图；

图3是本发明仿生刚柔耦合抗冲击材料XRD图；

图4是本发明仿生刚柔耦合抗冲击材料各层形貌图；

图5是本发明仿生刚柔耦合抗冲击材料冲击断口图；

图6是本发明仿生刚柔耦合抗冲击材料的冲击韧性示意表。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种具有高抗冲击性能的仿生耦合抗冲击材料，具体工艺过程包括Al-Ti-B₄C粉体的调配和仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备两个阶段：

实施例1：

a)制取30wt.％、40wt.％与50wt.％Al-Ti-B4C均质复合材料

取Al粉(平均粒度小于58μm，纯度99.7％)，Ti粉(平均粒度小于13μm，纯度99.5％)和B₄C粉(平均粒度小于10μm，纯度99％)；

b)并将上述三种粉末按Al含量为30wt.％、40wt.％与50wt.％，Ti粉与B₄C粉按摩尔比3：1的比例在球磨机中混合8小时，将混合均匀的Al-Ti-B₄C粉末，加入石墨模具中，利用压力机在8±1t压力条件下将粉料在石墨模具中压制成预制块，将装好预制块的石墨模具放到中频炉中，分别升温至816±10℃、828±10℃和843±10℃引燃Al-Ti-B₄C体系，燃烧合成反应发生后随即保温8min，保温结束后，通过中频炉的压力机以6±1t压力将均质Al-Ti-B₄C体系材料压实，石墨模具随即在空气条件下冷却，冷却完成后，卸模取样，从而制备出30wt.％、40wt.％与50wt.％Al-Ti-B₄C均质复合材料；

实施例2：

制取仿生刚柔耦合抗冲击材料

a)取Al粉(平均粒度小于58μm，纯度99.7％)，Ti粉(平均粒度小于13μm，纯度99.5％)和B₄C粉(平均粒度小于10μm，纯度99％)，并将上述三种粉末按Al含量为30wt.％、40wt.％与50wt.％，Ti粉与B₄C粉按摩尔比3：1的比例在球磨机中混合8.5小时，将混合均匀后的40wt.％，50wt.％和30wt.％Al-Ti-B₄C体系的粉末采用层层铺叠的形式，依次置入石墨模具中；

b)各Al-Ti-B₄C层之间铺置发泡铝粉，每铺完一层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8±1t压力条件下将粉料在石墨模具中压制成预制块。将带有预制块的石墨模具整体放入中频炉线圈中加热，采用红外测温装置测温。升温至816±10℃逐渐引燃各个Al-Ti-B₄C体系，燃烧合成反应发生后随即保温9min。为保证后续加压过程中铝液不被挤出模具，816±10℃保温结束后，令整个体系降温到660±10℃继续保温并加压，所加压力为6±1t，并保压9min，待石墨模具冷却之后，卸模取样；

c)仿生刚柔耦合抗冲击材料的耦合结构如图2所示，各层间无裂纹，具有良好的结合状态。各硬质层均生成了六棱柱形的TiB₂和椭球形的TiC陶瓷颗粒，如图3，图4所示，在冲击载荷作用下，该型抗冲击材料通过硬质层承受载荷，通过软质层的塑性变形吸收与缓释应力，具有“刚性强化冲击，韧性吸收应力”的特性，展现了良好的抗冲击特性，如图5所示。

Claims (1)

1.一种具有高抗冲击性能的仿生耦合抗冲击材料，具体工艺过程包括Al-Ti-B₄C粉体的调配和仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备两个阶段：

一、Al-Ti-B4C粉体的调配：

a)选取材料：Al-Ti-B4C粉体是由材料呈现粉末状，主要是由纯度99.0％～99.7％，粒度48μm～58μm的Al粉、纯度99.0％～99.5％，粒度13μm～23μm Ti粉和纯度98％～99％，粒度13μm～10μm的B₄C粉组成，其中，Al粉的质量百分比为30wt.％～50wt.％，实验所用发Al粉、Ti粉、B₄C粉中，Ti和B₄C的摩尔比为3:1；

b)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10±1小时；

c)将混合均匀后的40wt.％～30wt.％Al-Ti-B₄C体系的粉末采用层层铺叠的形式，依次置入石墨模具中，各Al-Ti-B₄C层之间铺置发泡铝粉，每铺完一层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8±1t压力条件下将粉料在石墨模具中压制成预制块；

二、仿生刚柔耦合抗冲击材料的制备

a)将带有预制块的石墨模具整体放入中频炉线圈中加热，采用红外测温装置测温，升温至816±10℃逐渐引燃各个Al-Ti-B₄C体系，燃烧合成反应发生后随即保温5～10min，为保证后续加压过程中铝液不被挤出模具，在806±5℃保温结束后，令整个体系降温到660±5℃继续保温并加压，所加压力为6±1t，并保压5～10min；

b)保压过程结束后，令石墨模具在空气中冷却，待石墨模具冷却之后，卸模取样，所制备的抗冲击材料中，各个Al-Ti-B₄C体系与发泡铝之间产生了牢固的冶金结合，至此制备出了仿生刚柔耦合抗冲击材料。