CN109402534B - 利用原子堆积理论和低压加压法制备颗粒与纤维强化Al基合金复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属基复合材料的制备，是一种利用原子堆积理论和低压加压法制备颗粒与纤维强化Al基合金复合材料的方法。本发明采用原子堆积理论建立计算方式，有效地解决了强化颗粒与纤维混杂强化复合材料时强化颗粒的团簇问题，使得纤维能有效地形成三维分布，从而保护颗粒的滑移问题；明确地建立了纤维与微米级强化颗粒最佳添加的比例，从而解决了纤维与颗粒混杂后无从下手的问题，使材料能在多维空间下得到运用。

Description

利用原子堆积理论和低压加压法制备颗粒与纤维强化Al基合 金复合材料的方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备，具体通过原子堆积理论设计优化陶瓷纤维与粒子的混合，通过晶体结构解析陶瓷纤维与粒子配比添加，提高强化颗粒在金属基体合金内的均匀分布。

背景技术

近年，在电子、航空、机动车等领域里轻金属材料得到了广泛的应用。最近的研究表明以贝壳仿生叠层思想，采用片状粉末冶金方法制备得石墨烯增强铝基复合材料其延伸率比碳纳米管均匀随机排布的复合材料提高了近一倍，而强度也提高了10％，可见强化材料在基体合金中的排列对材料性能起到了关键作用。然而粉末冶金法只适用于颗粒增强复合材料。强化颗粒极易发生团聚，其严重团聚及其与金属不润湿等特性，使其很难分散到金属基体中。发生团簇的地方将变成缺陷使得金属基复合材料整体的性能下降。如何使强化颗粒在金属基体合金内均匀分布是本领域亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种利用原子堆积理论优化颗粒与纤维添加比例强化Al-基合金复合材料的方法，以微观的晶体结构解析宏观的成型工艺的新型理念。

本发明的发明构思是：本发明通过原子堆积理论构建的计算方式解析在基体合金内同时添加颗粒和纤维最佳配比，通过加压法渗透使强化颗粒均匀分布在基体合金内的同时使纤维可以达到最佳三维尺度的分布，使材料能在多维空间下得到运用。

本发明的构建方法包括以下步骤：

S1.构建原子堆积理论模型，采用尺寸相同的微米级或纳米级强化颗粒和Al粒子按照1:1～1:3比例混合，将每个Al粒子与强化颗粒视为一个原子，理想状态下，Al粒子与强化颗粒通过球磨混合后均一分布，将混合后的粉末视为一个简单立方晶胞或面心立方晶胞；

S2.根据简单立方晶胞或面心立方晶胞的原子占有率计算对应的空隙率即为纤维添加量；

S3.计算纤维与强化颗粒的添加比例，纤维：

S4.根据步骤S3中确定的强化颗粒、纤维和Al粒子的添加比例，采用低压加压法制备Al基合金复合材料。

进一步的，所述的步骤S1微米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:1时构建为简单立方晶胞，其原子占有率为52％，剩余48％的空隙率即为纤维添加量；纤维与微米级强化颗粒的添加比例＝空隙率/(原子占有率/2)。根据微米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:1可知，微米级强化颗粒的添加量为(52％÷2)＝26％，纤维的添加量即为空隙率48％，由此可知纤维与微米级强化颗粒的添加比例为1.5<f/p<3，具体为48％：26％＝1.85。

进一步的，所述的步骤S1纳米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:3时构建为面心立方晶胞，其原子占有率为74％，剩余26％的空隙率即为纤维添加量；纤维与纳米级强化颗粒的添加比例＝空隙率/(原子占有率/(1+3))。根据纳米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:3可知，纳米级强化颗粒的添加量为(74％÷4)＝18.5％，纤维的添加量即为空隙率26％，由此可知纤维与纳米级强化颗粒的添加比例为1.41≤f/p≤1.5，具体为26％：18.5％＝1.41。

由上述方法可知在加压法低压加压法制备颗粒与纤维强化Al-基合金复合材料中，纤维与强化颗粒的最佳添加比例，彻底解决了同时添加纤维与颗粒混杂导致团簇的问题。

本发明的金属基复合材料按如下方法进行制备：向装有一定量的乙醇的烧杯中加入粘合剂聚乙烯乙二醇(PEG)，通过原子堆积建模，使用球磨混合Al粒子与微米级或纳米级强化颗粒，将PEG、Al粒子与微米级或纳米级强化颗粒通过磁力搅拌器使混合液形成漩涡搅拌，将纤维浸泡在上述混合液中，30分钟后取出，然后将混合试料放入模具内压缩成型，在温度773K的电炉内加热使PEG分解后取出，得到陶瓷胚体；通过高周波加热器加热到使Al-基合金完全熔化，从模具上方加入Ar气体到液体合金表面，使熔化的Al-基合金渗透到陶瓷胚体中，当液体合金与Al粒子接触后，Al粒子立即熔化，当液体合金从模具口中缓慢流出后停止加压，此时压力为0.2-0.6Mpa，待冷却后得到MMC试料；其中，微米级强化颗粒与Al粒子的比例为1：1，纤维与微米级强化颗粒的添加量比例为1.85。纳米级强化颗粒与Al粒子的比例为1：3，纤维与纳米级强化颗粒的添加量比例为1.41≤f/p≤1.5。

所述的微米级或纳米级强化颗粒为氧化铝，碳化硅或碳颗粒。

所述的纤维为氧化铝，碳化硅或碳纤维。

上述方法中纤维可选择短纤维且短纤维尺寸为强化颗粒的一半。这是因为短纤维在各个方向上的弯曲、变形等原因其最多的添加很难超过30％，且极易形成二维分布，达不到强化基体的效果。因此为使短纤维能充填进去，短纤维的尺寸必须要小于强化颗粒尺寸的一半。

有益效果：

本发明采用原子堆积理论建立计算方式，有效地解决了强化颗粒与纤维混杂强化复合材料时强化颗粒的团簇问题，使得纤维能有效地形成三维分布，从而保护颗粒的滑移问题；明确地建立了纤维与微米级强化颗粒最佳添加的比例，从而解决了纤维与颗粒混杂后无从下手的问题。使材料能在多维空间下得到运用。

附图说明

图1为Al粒子和强化颗粒混合后与液态Al-基合金渗透示意图；

图2为利用原子堆积解析Al粒子与强化颗粒/纤维混合后的简单立方示意图；

图3为利用原子堆积解析Al粒子与强化颗粒/纤维混合后的面心立方示意图；

图4为本发明实施例1-4制备的复合材料的微观组织图；

图5为本发明实施例4-6制备的复合材料的微观组织图。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从化学公司购买。

本发明将纤维与强化颗粒的添加量比例表示为f/p，具体指纤维与强化颗粒的体积百分数比。

实施例1

S1.构建原子堆积理论模型，采用尺寸相同的微米级强化颗粒和Al粒子按照1:1混合，将每个Al粒子与微米级强化颗粒视为一个原子，在该比例下模拟原子堆积的模型为理想状态，该理想状态下为可控工艺，Al粒子与微米级强化颗粒通过球磨混合后实现均一分布，将混合后的粉末视为一个简单立方晶胞；根据简单立方堆积空间占有率计算方法可知：

S2.由步骤S1可知原子占有率为52％，剩余的空隙率＝100％-原子占有率，即空隙率为48％，该空隙率也就是纤维的添加量；

S3.根据步骤S1微米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:1计算可知纤维与微米级强化颗粒的添加比例。

所述步骤S3中的计算方法为：空隙率/(原子占有率/2)。

根据微米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:1可知，微米级强化颗粒的添加量为(52％÷2)＝26％，纤维的添加量即为空隙率48％，由此可知纤维与微米级强化颗粒的添加比例(f/p)为48％：26％＝1.85。

S4.根据步骤S3中确定的微米级强化颗粒、纤维和Al粒子的添加比例，采用低压加压法制备Al基合金复合材料。

向装有一定量的乙醇的烧杯中加入PEG，通过原子堆积建模，使用球磨混合Al粒子与微米级强化颗粒(氧化铝)添加进烧杯中，微米级强化颗粒与Al粒子的比例为1:1。将PEG、Al粒子与微米级强化颗粒通过磁力搅拌器使混合液形成漩涡搅拌。把短纤维浸泡在上述混合液中，短纤维的添加量为7.5vol.％，30分钟后取出，然后将试料放入模具内压缩成型，在温度773K的电炉内加热使PEG分解后取出，得到陶瓷胚体。通过高周波加热器加热到使Al-基合金完全熔化。从模具上方加入Ar气体到液体合金表面，使合金渗透到陶瓷胚体中。当液体合金与Al粒子接触后，Al粒子立即熔化，当液体合金从模具口中缓慢流出后停止加压保持压力0.3Mpa。待到冷却后得到MMC试料。

实施例2-6

本实施例与实施例1的区别在于，纤维、强化颗粒、Al粒子的添加量不同，具体添加比例如表1所示。

表1实施例1-6纤维与强化颗粒的添加比例

实施例1-4是当纤维添加量为定值7.5vol.％，改变微米级强化颗粒添加量，且保持微米级强化颗粒与Al粒子混合比例为1：1。按照实施例1所述方法制备MMC试料并进行微观组织观察，如图3所示，随着f/p的降低，团簇的区间逐渐增多。

实施例4-6是当纤维与微米级强化颗粒添加量总量为定值20vol.％且且保持微米级强化颗粒与Al粒子混合比例为1：1。增加纤维的相对含量，按照实施例1所述方法制备MMC试料并进行微观组织观察，如图4所示，随着f/p的增加，团簇的颗粒部位逐渐减少。可知当1.5<f/p<3区间内可以看到纤维呈点、线状分布；微米级强化颗粒均匀分散在基体当中，当f/p为1.67时颗粒分散在基体中十分的均匀，而纤维又呈现出了多维尺度的分布，可有效地保护颗粒的滑移。f/p＝1.67也与原子堆积最佳的分析值1.85十分地接近。

实施例7

S1.构建原子堆积理论模型，采用尺寸相同的纳米级强化颗粒和Al粒子按照1:3混合，将每个Al粒子与纳米级强化颗粒视为一个原子，在该比例下模拟原子堆积的模型为理想状态，该理想状态下为可控工艺，Al粒子与纳米级强化颗粒通过球磨混合后实现均一分布，将混合后的粉末视为一个面心立方晶体；根据面心立方堆积空间占有率计算方法可知：

S2.由步骤S1可知原子占有率为74％，剩余的空隙率＝100％-原子占有率，即空隙率为26％，该空隙率也就是纤维的添加量；

S3.根据步骤S1纳米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:3计算可知纤维与纳米级强化颗粒的添加比例。

所述步骤S3中的计算方法为：空隙率/(原子占有率/4)。

根据纳米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:3可知，纳米级强化颗粒的添加量为(74％÷4)＝18.5％，纤维的添加量即为空隙率26％，由此可知纤维与纳米级强化颗粒的添加比例(f/p)约为26％：18.5％＝1.41。

S4.根据步骤S3中确定的纳米级强化颗粒、纤维和Al粒子的添加比例，采用低压加压法制备Al基合金复合材料。

向装有一定量的乙醇的烧杯中加入PEG，通过原子堆积建模，使用球磨混合Al粒子与纳米级强化颗粒(氧化铝)添加进烧杯中，纳米级强化颗粒与Al粒子的比例为1:3。将PEG、Al粒子与纳米级强化颗粒通过磁力搅拌器使混合液形成漩涡搅拌。把短纤维浸泡在上述混合液中，短纤维的添加量为7.5vol.％，30分钟后取出，然后将试料放入模具内压缩成型，在温度773K的电炉内加热使PEG分解后取出，得到陶瓷胚体。通过高周波加热器加热到使Al-基合金完全熔化。从模具上方加入Ar气体到液体合金表面，使合金渗透到陶瓷胚体中。当液体合金与Al粒子接触后，Al粒子立即熔化，当液体合金从模具口中缓慢流出后停止加压保持压力0.3Mpa。待到冷却后得到MMC试料。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.利用原子堆积理论和低压加压法制备颗粒与纤维强化Al基合金复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.构建原子堆积理论模型，采用尺寸相同的微米级或纳米级强化颗粒和Al粒子按照比例混合，将每个Al粒子与强化颗粒视为一个原子，理想状态下，Al粒子与强化颗粒通过球磨混合后均一分布，将混合后的粉末视为一个简单立方晶胞或面心立方晶胞；

S2.根据简单立方晶胞或面心立方晶胞的原子占有率计算对应的空隙率即为纤维添加量；

S3.计算纤维与强化颗粒的添加比例，纤维：

S4.根据步骤S3中确定的强化颗粒、纤维和Al粒子的添加比例，采用低压加压法制备Al基合金复合材料；微米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:1时构建为简单立方晶胞，纤维与微米级强化颗粒的添加体积百分数比例为1.5<f/p<3；

纳米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:3时构建为面心立方晶胞，纤维与纳米级强化颗粒的添加体积百分数比例为1.41≤f/p≤1.5。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：向装有一定量的乙醇的烧杯中加入粘合剂聚乙烯乙二醇，通过原子堆积建模，使用球磨混合Al粒子与微米级或纳米级强化颗粒，将PEG、Al粒子与微米级或纳米级强化颗粒通过磁力搅拌器使混合液形成漩涡搅拌，将纤维浸泡在上述混合液中，30分钟后取出，然后将混合试料放入模具内压缩成型，在温度773K的电炉内加热使PEG分解后取出，得到陶瓷胚体；通过高周波加热器加热到使Al-基合金完全熔化，从模具上方加入Ar气体到液体合金表面，使熔化的Al-基合金渗透到陶瓷胚体中，当液体合金与Al粒子接触后，Al粒子立即熔化，当液体合金从模具口中缓慢流出后停止加压，此时压力为0.2-0.6Mpa，待冷却后得到MMC试料；其中，微米级强化颗粒与Al粒子的体积比例为1：1，纤维与微米级强化颗粒的添加量体积百分数比例为1.85；纳米级强化颗粒与Al粒子的体积比例为1：3，纤维与纳米级强化颗粒的添加量体积百分数比例为1.41≤f/p≤1.5。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微米级或纳米级强化颗粒为氧化铝，碳化硅或碳颗粒。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纤维为氧化铝，碳化硅或碳纤维。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纤维为短纤维且短纤维尺寸为强化颗粒的一半。