CN109338168A - 一种复相增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复相增强铝基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。本发明所述方法以非晶合金颗粒和铝基体粉末为载体，在各自表面沉积一层均匀的纳米镍颗粒，得到表面镀镍的非晶合金颗粒和表面镀镍的铝基体粉末；再以甲烷为碳源，利用CVD法在各自的表面上原位合成碳纳米管；将表面生长碳纳米管的非晶合金颗粒与表面生长碳纳米管的铝基体粉末通过机械球磨法均匀混合，得到复合材料粉末；对复合材料粉末进行冷压成块、烧结、热加工得到最终的跨尺度复相增强铝基复合材料。本发明使原位生长的碳纳米管能够均匀分散在复合材料之中，改善增强相与基体间的界面结合，并结合非晶颗粒的增强效应，使制备的复合材料具有高强度、高硬度、耐腐蚀性等优良综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种复相增强铝基复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术
铝基复合材料具有低密度、高强度、高的弹性模量以及良好的耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、交通运输、兵器制造等诸多领域。随着现代工业的迅猛发展，上述领域对铝基复合材料的各项性能都提出了越来越高的要求。
传统的铝基复合材料通常以陶瓷颗粒（如SiC、Al2O3等）作为增强相，但由于增强体与基体之间的界面反应导致界面的结合性差，造成复合材料的力学性能下降。与传统的陶瓷颗粒增强相相比，非晶合金具有高的强度、弹性模量、耐腐蚀性、耐磨性等，添加到铝基体中可显著提高材料的性能，被认为是理想的金属基复合材料增强相。粉末冶金法制备非晶合金增强铝基复合材料，虽然力学性能有了一定改善，但是效果不是很明显，而且非晶合金颗粒与基体之间的界面结合不够理想，材料的塑性也相对较差，需要通过其他的方式来提高材料的综合性能。
CNTs以其自身优异的性能，已成为高分子、金属等复合材料中理想的纤维增强体。目前关于CNTs增强铝基复合材料的研究报道有很多，但大多采用高能球磨的制备方法。采用高能球磨法会使本身长径比较大的碳纳米管在铝基体中分散不均匀，容易在基体中团聚和缠结，而且高能球磨会破坏碳纳米管的结构，最终导致复合材料的性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复相增强铝基复合材料的制备方法，使原位生长的碳纳米管能够均匀分散在复合材料之中，改善增强相与基体间的界面结合，并结合非晶颗粒的增强效应，共同提高复合材料的性能；具体包括以下步骤：
（1）以非晶合金颗粒和铝基体粉末为载体，采用常规方法（一般采用沉淀-沉积法或化学镀镍法）在各自表面沉积一层均匀的纳米镍颗粒，得到表面镀镍的非晶合金颗粒和表面镀镍的铝基体粉末，再利用CVD法以甲烷为碳源，在各自表面的上原位合成碳纳米管，镍颗粒作为化学气相沉积法的催化剂。
（2）将表面生长碳纳米管的非晶合金颗粒与表面生长碳纳米管的铝基体粉末通过机械球磨法均匀混合，得到复合材料粉末。
（3）对复合材料粉末进行冷压成块、烧结、热加工得到最终的铝基复合材料。
优选的，本发明步骤（1）所述非晶合金颗粒为Fe基非晶合金颗粒、Ti基非晶合金颗粒、Mg基非晶合金颗粒、Al基非晶合金颗粒、Zr基非晶合金颗粒中的一种；所述非晶合金颗粒的粒径大小为16-40μm；铝基体粉末为纯铝粉或铝合金粉，粒度为25~40μm。
通过控制通入甲烷气体的时间，可以控制在非晶合金颗粒表面原位合成的碳纳米管的体积分数，并且得到的碳纳米管在颗粒表面分布均匀，结构完整没有缠结，是比较完美的增强相；通入甲烷气体的时间为15~120min。
优选的，本发明步骤（1）中表面镀镍的非晶合金颗粒中镍的质量百分比为1~2.5%，表面镀镍的铝基体粉末中镍的质量百分比为1~2.5%。
优选的，本发明所述表面生长碳纳米管的非晶合金颗粒中碳纳米管的含量为1~2.5wt%，表面生长碳纳米管的铝基体粉末中碳纳米管的含量为1~2.5wt%。
优选的，本发明在步骤（2）的复合材料粉末中表面生长碳纳米管的非晶合金颗粒的含量为5~15vol%，表面生长碳纳米管的铝基体粉末的含量为85~95vol%。
本发明所述混粉过程只需将表面带有碳纳米管的非晶合金颗粒和表面生长碳纳米管的铝基体粉末混合均匀，由于微米级的非晶合金颗粒较容易均匀分散在基体中，且要保证碳纳米管在混粉过程中不被破坏，故采用低速短时球磨法，球磨机的转速为100~200rpm，时间为1~2h。
优选的，本发明步骤（3）中冷压成型的压力为400~600MPa，保压时间为8~20min。
优选的，本发明步骤（3）中烧结的环境为真空，温度为400~600℃，压力为30~80MPa，保温时间为10~20min；常规的烧结方式均可用于本发明，例如放电等离子烧结、热压烧结或者微波烧结。
优选的，本发明步骤（3）中所述热加工温度为400~600℃，压力为300~500MPa；常规的热加工工艺均可用于本发明，例如热挤压、热轧制或热锻造。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述的铝基复合材料，采用高强度的非晶合金颗粒作为增强相，结合新型的CVD技术，在非晶合金增强相表面与铝基体表面双向原位合成碳纳米管，将微米级的非晶合金颗粒与纳米级的碳纳米管共同作为增强相，一方面通过碳纳米管与铝基体反应来改善非晶合金颗粒与铝基体之间的界面结合，另一方面明显改善了碳纳米管在复合材料中的分散性，避免碳纳米管的团聚而降低材料的性能，这种多个增强相协同增强、互相配合的方法，充分发挥了各增强相的作用，使该复合材料的强度提高了30%左右，从整体上改善了复合材料的综合性能。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所用原料为：纯铝粉（购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度>99.95%，粒度为25μm），非晶合金颗粒为Fe50Cr25Mo9C13B3（购自广州市万盾非晶经贸有限公司，纯度>99%，为粉末状球形颗粒，粒度16-30μm），具体步骤如下：
（1）以非晶合金颗粒和铝基体粉末为载体，采用沉淀-沉积法在各自表面沉积一层均匀的纳米镍颗粒，该过程中：按照镀镍量称取一定量的非晶合金粉与六水硝酸镍放入1L去离子水中，用磁力搅拌器搅拌，同时滴入0.05mol/L的NaOH溶液至中性，静置48h，洗涤、干燥后置于管式炉中，在200℃氮气保护下煅烧4h，随后400℃氢气气氛下还原2h，得到表面镀镍的非晶合金颗粒和表面镀镍的铝基体粉末。
（2）将Ni/Fe50Cr25Mo9C13B3非晶合金粉末（其中Ni含量为2wt%）放入管式炉中，以甲烷为碳源，采用CVD法在500℃反应60min，得到碳纳米管和非晶合金颗粒的混杂增强相，混杂增强相中碳纳米管的含量为1.5vol%。
（3）将Ni/Al粉末（Ni含量为2wt%）放入管式炉中，采用CVD法在600℃反应60min，得到表面生长碳纳米管的铝基体，其中碳纳米管的含量为1.5vol%。
（4）将10vol%的混杂增强相颗粒与90vol%的表面生长碳纳米管的纯铝粉混合均匀，采用球磨方式混粉，球磨机转速为100rpm，球磨时间为2h，得到复合材料粉末。
（5）对复合粉体进行冷压成型，所用仪器为单臂液压机，压力为450MPa，保压时间为10min，压成的块体直径为Φ26mm；对冷压块体进行放电等离子烧结（SPS），烧结环境为真空，烧结温度为550℃，烧结压力为40MPa，保温时间为10min；对复合锭坯进行热挤压，挤压温度为550℃，压力为500MPa。
实验结果分析：在室温下，对本实施例所述铝基复合材料进行拉伸力学性能、硬度和致密度测试，该复合材料的抗拉强度、硬度和致密度分别达到251MPa、77HV和99%。所得材料的致密度高，强度与现有碳纳米管增强铝基复合材料相比提高了25%。
实施例2
本实施例所用原料为：纯铝粉（购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度>99.95%，粒度为25μm），非晶合金颗粒为Ti52Cu20Ni17Al11（纯度>99%，粒度20-30μm），具体步骤如下：
（1）以非晶合金颗粒和铝基体粉末为载体，采用沉淀-沉积法在各自表面沉积一层均匀的纳米镍颗粒，该过程中：按照镀镍量称取一定量的非晶合金粉与六水硝酸镍放入1L去离子水中，用磁力搅拌器搅拌，同时滴入0.05mol/L的NaOH溶液至中性，静置48h，洗涤、干燥后置于管式炉中，在200℃氮气保护下煅烧4h，随后400℃氢气气氛下还原2h，得到表面镀镍的非晶合金颗粒和表面镀镍的铝基体粉末。
（2）将Ni/Ti52Cu20Ni17非晶合金粉末（其中Ni含量为1wt%）放入管式炉中，以甲烷为碳源，采用CVD法在500℃反应30min，得到碳纳米管和非晶合金颗粒的混杂增强相，混杂增强相中碳纳米管的含量为1vol%；
（3）将Ni/Al粉末（Ni含量为2.5wt%）放入管式炉中，采用CVD法在600℃反应60min，得到表面生长碳纳米管的铝基体，其中碳纳米管的含量为2vol%。
（4）将8vol%的混杂增强相颗粒与92vol%的表面生长碳纳米管的纯铝粉混合均匀，采用球磨方式混粉，球磨机转速为200rpm，球磨时间为1h，得到复合材料粉末。
（5）对复合粉体进行冷压成型，所用仪器为单臂液压机，压力为400MPa，保压时间为10min，压成的块体直径为Φ26mm；对冷压块体进行热压烧结，烧结环境为真空，烧结温度为600℃，烧结压力为50MPa，保温时间为20min；对复合锭坯进行热挤压，挤压温度为600℃，压力为500MPa。
实验结果分析：在室温下，对本实施例所述铝基复合材料进行拉伸力学性能、硬度和致密度测试，该复合材料的抗拉强度、硬度和致密度分别达到258MPa、76HV和98.8%。
实施例3
本实施例所用原料为：2024铝合金粉（购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度>99.95%，粒度为35μm），非晶合金颗粒为Mg65Cu20Zn5Y10（纯度>99%，粒度30-40μm），具体步骤如下：
（1）以非晶合金颗粒和铝基体粉末为载体，采用沉淀-沉积法在各自表面沉积一层均匀的纳米镍颗粒，该过程中：按照镀镍量称取一定量的非晶合金粉与六水硝酸镍放入1L去离子水中，用磁力搅拌器搅拌，同时滴入0.05mol/L的NaOH溶液至中性，静置48h，洗涤、干燥后置于管式炉中，在200℃氮气保护下煅烧4h，随后400℃氢气气氛下还原2h，得到表面镀镍的非晶合金颗粒和表面镀镍的铝基体粉末。
（2）将Ni/Mg65Cu20Zn5Y10非晶合金粉末（其中Ni含量为2.5wt%）放入管式炉中，以甲烷为碳源，采用CVD法在500℃反应30min，得到碳纳米管和非晶合金颗粒的混杂增强相，混杂增强相中碳纳米管的含量为2vol%；
（3）将Ni/2024Al粉末（Ni含量为1.5wt%）放入管式炉中，采用CVD法在600℃反应60min，得到表面生长碳纳米管的铝基体，其中碳纳米管的含量为1vol%。
（4）将9vol%的混杂增强相颗粒与91vol%的表面生长碳纳米管的纯铝粉混合均匀，采用球磨方式混粉，球磨机转速为150rpm，球磨时间为1.5h，得到复合材料粉末。
（5）对复合粉体进行冷压成型，所用仪器为单臂液压机，压力为400MPa，保压时间为15min，压成的块体直径为Φ26mm；对冷压块体进行放电等离子烧结（SPS），烧结环境为真空，烧结温度为450℃，烧结压力为50MPa，保温时间为10min；对复合锭坯进行热挤压，挤压温度为450℃，压力为500MPa。
实验结果分析：在室温下，对本实施例所述铝基复合材料进行拉伸力学性能、硬度和致密度测试，该复合材料的抗拉强度、硬度和致密度分别达到345MPa、85HV和99.3%。
实施例4
本实施例所用原料为：7075铝合金粉（购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度>99.95%，粒度为40μm），非晶合金颗粒为Al84Gd6Ni7Co3（纯度>99%，粒度16-30μm），具体步骤如下：
（1）以非晶合金颗粒和铝基体粉末为载体，采用沉淀-沉积法在各自表面沉积一层均匀的纳米镍颗粒，该过程中：按照镀镍量称取一定量的非晶合金粉与六水硝酸镍放入1L去离子水中，用磁力搅拌器搅拌，同时滴入0.05mol/L的NaOH溶液至中性，静置48h，洗涤、干燥后置于管式炉中，在200℃氮气保护下煅烧4h，随后400℃氢气气氛下还原2h，得到表面镀镍的非晶合金颗粒和表面镀镍的铝基体粉末。
（2）将Ni/Al84Gd6Ni7Co3非晶合金粉末（其中Ni含量为2wt%）放入管式炉中，以甲烷为碳源，采用CVD法在500℃反应30min，得到碳纳米管和非晶合金颗粒的混杂增强相，混杂增强相中碳纳米管的含量为1vol%；
（3）将Ni/7075Al粉末（Ni含量为2wt%）放入管式炉中，采用CVD法在600℃反应60min，得到表面生长碳纳米管的铝基体，其中碳纳米管的含量为1.5vol%。
（4）将5vol%的混杂增强相颗粒与85vol%的表面生长碳纳米管的纯铝粉混合均匀，采用球磨方式混粉，球磨机转速为100rpm，球磨时间为2h，得到复合材料粉末。
（5）对复合粉体进行冷压成型，所用仪器为单臂液压机，压力为600MPa，保压时间为8min，压成的块体直径为Φ26mm；对冷压块体进行热压烧结，烧结环境为真空，烧结温度为500℃，烧结压力为30MPa，保温时间为10min；对复合锭坯进行热挤压，挤压温度为500℃，压力为300MPa。
实验结果分析：在室温下，对本实施例所述铝基复合材料进行拉伸力学性能、硬度和致密度测试，该复合材料的抗拉强度、硬度和致密度分别达到363MPa、89HV和98.9%。
实施例5
本实施例所用原料为：7075铝合金粉（购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度>99.95%，粒度为40μm），非晶合金颗粒为Al84Gd6Ni7Co3（纯度>99%，粒度30-40μm），具体步骤如下：
（1）以非晶合金颗粒和铝基体粉末为载体，采用沉淀-沉积法在各自表面沉积一层均匀的纳米镍颗粒，该过程中：按照镀镍量称取一定量的非晶合金粉与六水硝酸镍放入1L去离子水中，用磁力搅拌器搅拌，同时滴入0.05mol/L的NaOH溶液至中性，静置48h，洗涤、干燥后置于管式炉中，在200℃氮气保护下煅烧4h，随后400℃氢气气氛下还原2h，得到表面镀镍的非晶合金颗粒和表面镀镍的铝基体粉末。
（2）将Ni/Al84Gd6Ni7Co3非晶合金粉末（其中Ni含量为1.5wt%）放入管式炉中，以甲烷为碳源，采用CVD法在500℃反应30min，得到碳纳米管和非晶合金颗粒的混杂增强相，混杂增强相中碳纳米管的含量为1vol%；
（3）将Ni/7075Al粉末（Ni含量为1.5wt%）放入管式炉中，采用CVD法在600℃反应60min，得到表面生长碳纳米管的铝基体，其中碳纳米管的含量为1vol%。
（4）将8vol%的混杂增强相颗粒与92vol%的表面生长碳纳米管的纯铝粉混合均匀，采用球磨方式混粉，球磨机转速为200rpm，球磨时间为1h，得到复合材料粉末。
（5）对复合粉体进行冷压成型，所用仪器为单臂液压机，压力为400MPa，保压时间为20min，压成的块体直径为Φ26mm；对冷压块体进行放电等离子烧结（SPS），烧结环境为真空，烧结温度为400℃，烧结压力为80MPa，保温时间为10min；对复合锭坯进行热挤压，挤压温度为400℃，压力为400MPa。
实验结果分析：在室温下，对本实施例所述铝基复合材料进行拉伸力学性能、硬度和致密度测试，该复合材料的抗拉强度、硬度和致密度分别达到368MPa、93HV和99.5%。
Claims (10)
1.一种复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）以非晶合金颗粒和铝基体粉末为载体，在各自表面沉积一层均匀的纳米镍颗粒，得到表面镀镍的非晶合金颗粒和表面镀镍的铝基体粉末，再利用CVD法以甲烷为碳源，在各自的表面上原位合成碳纳米管；
（2）将表面生长碳纳米管的非晶合金颗粒与表面生长碳纳米管的铝基体粉末通过机械球磨法均匀混合，得到复合材料粉末；
（3）对复合材料粉末进行冷压成块、烧结、热加工得到最终的铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述非晶合金颗粒为Fe基非晶合金颗粒、Ti基非晶合金颗粒、Mg基非晶合金颗粒、Al基非晶合金颗粒、Zr基非晶合金颗粒中的一种；所述非晶合金颗粒的粒径大小为16-40μm；铝基体粉末为纯铝粉或铝合金粉，粒度为25~40μm。
3.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中通入甲烷的时间为15~120min。
4.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中表面镀镍的非晶合金颗粒中镍的质量百分比为1~2.5%，表面镀镍的铝基体粉末中镍的质量百分比为1~2.5%。
5.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在表面生长碳纳米管的非晶合金颗粒中碳纳米管的含量为1~2.5wt%，在表面生长碳纳米管的铝基体粉末中碳纳米管的含量为1~2.5wt%。
6.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤（2）的复合材料粉末中表面生长碳纳米管的非晶合金颗粒的含量为5~15vol%，表面生长碳纳米管的铝基体粉末的含量为85~95vol%。
7.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中混粉方式为机械球磨法，球磨机的转速为100-200rpm，时间为1-2h。
8.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中冷压成型的压力为400-600MPa，保压时间为8-20min。
9.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中烧结的环境为真空，温度为400-600℃，压力为30-80MPa，保温时间为10-20min。
10.根据权利要求1所述复相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述热加工温度为400-600℃，压力为300-500MPa。
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