CN109554588A - 一种气凝胶增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种气凝胶增强铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气凝胶增强铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料及其制备技术领域，解决了亚微米及微米级气凝胶颗粒难以在金属铝基体中均匀分散的技术问题，该复合材料中气凝胶的含量为0.05～5.0wt.％，余量为纯铝或铝合金。本发明通过机械搅拌和超声处理等分散处理使气凝胶颗粒均匀分散在无水乙醇中，随即添加纯铝或铝合金粉末并持续施加搅拌分散工艺，获得气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料。将气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料置于容器中，蒸馏去除乙醇后获得干燥的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末。将气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末通过压块及热挤压工艺后得到气凝胶增强铝基复合材料。

Description

一种气凝胶增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料及其制备技术领域，具体是涉及一种气凝胶增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展，在汽车、航空航天、电力电子等领域，对轻质高强结构材料、导电导热材料的需求日益增加。铝合金具有密度小、比强度高、导电导热性能好等优点，在轻质结构材料和电线电缆、热沉等领域具有广阔的应用。但在铝材料的应用过程中也出现一些不足，如铝材料的强度不足，传统的钢芯铝绞线虽然保证了电缆的强度，但也存在重量大、能耗大，不利于节能减排。
通过合金成分设计、加工方式及后续的热处理技术，能够合理地控制合金的性能。一般情况下，通过添加合金元素，在提高铝合金强度的同时会显著降低合金的导电率，不能同时兼顾合金的强度和导电率，从而增大了电力传输时能量的损失。如专利CN108559886A通过控制铝合金棒材生产过程中的工艺参数，再通过后续的在线驻波淬火，同时提高挤压棒材的强度和导电性能。但是其制备过程复杂，而且其导电性能提高程度不大，棒材的电导率低于50％IACS。又如专利CN108546850A使用熔铸和热轧工艺，制备的铝合金板材具有高的电导率，而且具有生产流程短、效率高等优点，但是其力学性能较差，没有同时兼顾合金的强度和电导率。还有例如CN103952605B、CN108570634A、CN102758107A等专利。
通过向铝合金中添加SiC、AlN、SiO2等微米、亚微米或纳米级增强相颗粒，能够显著提高合金的力学性能，同时能够使其导电率保持在较高的水平。如发明专利CN101956113B提供了一种航空航天用结构材料的制备方法，采用立方系α-碳化硅SiCp作为增强材料，通过雾化制粉、高能球磨+真空热压的方法制备了以Al-Bi为基体的复合材料，充分发挥了增强相导电性、导热性较好、热膨胀系数小等优点，同时有效改善基体的强度和导电性，使铝合金的力学性能和电学性能得到良好的匹配。此类发明专利还有CN103526253B、CN104451475B、CN105734322B、CN106244893B、CN108677052A等。
与上述铝合金中使用的增强相颗粒相比，气凝胶材料由于具有特殊的微纳空洞结构，具备极低密度、高强度、耐高温、热膨胀系数小及耐腐蚀等优异性能。在铝及铝合金材料中添加气凝胶材料制备获得的铝基复合材料不仅具备低密度、高强度的特性，还可具备良好的导热、导热等特性，满足汽车、航空航天、电力电子等领域对高性能轻质铝材料的应用需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有低密度、高强度等力学性能，并且兼备良好的导电导热特性的气凝胶增强铝基复合材料。同时，面对气凝胶增强铝基复合材料制备过程中气凝胶颗粒难分散等问题，有针对性地开发提供一种凝胶增强铝基复合材料的制备方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明具有工艺简单、生产成本低等优点。获得的铝基复合材料密度低，同时具有力学性能优异、导热导电性能高等优点，在高性能铝结构件及对导电导热性能有特殊需求铝材料的汽车、航空航天、电力电子等领域具有广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种气凝胶增强铝基复合材料，该复合材料的基体为纯铝或铝合金，该复合材料的增强相为气凝胶。
作为本发明进一步的方案，所述复合材料中气凝胶的含量为0.05～5.0wt.％。
作为本发明进一步的方案，所述复合材料中气凝胶的含量为0.1～2.0wt.％。
作为本发明进一步的方案，所述复合材料中气凝胶的含量为1.0wt.％。
作为本发明进一步的方案，所述复合材料的基体成分为1XXX系列工业纯铝或2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX、8XXX系列的铝合金。1XXX和2XXX～8XXX表示“变形铝及铝合金牌号表示方法(GB/T 16474-2011)”标准中提到的以1到8中任意数字为开头的铝或铝合金牌号。
作为本发明进一步的方案，所述气凝胶为具有微纳空洞结构的气凝胶颗粒，其粒度为0.1～50μm。
作为本发明进一步的方案，所述的气凝胶颗粒成分为氧化硅、氧化铝、氧化钛或氧化锆。
一种气凝胶增强铝基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)将气凝胶颗粒置于无水乙醇中，对其进行机械搅拌和超声处理，得到气凝胶颗粒和乙醇的混合浆料；再将的纯铝或铝合金粉加入上述混合浆料中，并持续施加机械搅拌和超声处理，获得气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料。
(2)将步骤(1)获得的气凝胶颗粒与铝粉混合浆料，置于容器中，施加机械搅拌，蒸馏去除混合浆料中的乙醇，获得完全干燥的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末。
(3)将步骤(2)获得的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末置于模具中，在设定温度下进行热压，得到块状气凝胶和铝粉混合粉末。
(4)将步骤(3)获得的块状气凝胶颗粒和铝粉混合粉末置于挤压模具中，在设定温度和挤压比下，通过热挤压得到气凝胶增强铝基复合材料。
作为本发明进一步的方案，所述纯铝或铝合金粉的粒度为60～325目，纯铝或铝合金粉中的杂质含量≤0.5wt.％。
作为本发明进一步的方案，步骤(1)中，超声功率为100～500W，时间为10～60min。
作为本发明进一步的方案，步骤(1)中，气凝胶颗粒与铝粉的搅拌时间为10～120min。
作为本发明进一步的方案，步骤(2)中，去除乙醇时的蒸馏温度为60～80℃。
作为本发明进一步的方案，步骤(3)中，气凝胶和铝粉的混合粉末热压的温度为200～400℃。
作为本发明进一步的方案，步骤(4)中，块状气凝胶和铝粉混合粉末热挤压的温度为200～450℃，挤压比为10:1～25:1。
一种上述所述的气凝胶增强铝基复合材料在制备轻质铝产品中的用途。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明添加的为具有孔洞结构的气凝胶颗粒，其内部结构的孔洞为微纳米级别，孔隙率高，因此具有质轻、耐高温、耐腐蚀及热膨胀系数小等特点，添加至铝及其合金中能够有效保持基体密度、提高基体的强度等特性，并获得导热导电性能良好的铝基复合材料。
(2)本发明针对气凝胶颗粒的特性，通过机械搅拌和超声处理，使微米或亚微米尺寸的气凝胶颗粒和铝粉末得到均匀混合，并通过后续的热压、热挤压等系列的复合材料制备工艺，可获得组织均匀、性能良好的气凝胶增强铝基复合材料。
(3)本发明所用的制备工艺，生产效率高，成本低，应用范围广泛，不仅适用于气凝胶含量低的复合材料制备，也适合制备高气凝胶含量的铝基复合材料。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合具体实施例来对本发明进行详细说明。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例中制备的气凝胶增强铝基复合材料为200克，其气凝胶含量为0.05wt.％，气凝胶成分为氧化硅，气凝胶颗粒的粒径为0.1～0.5μm，基体合金为1060纯铝，铝粉粒度为250～325目，杂质含量不大于0.5wt.％。具体过程为：将称量好的气凝胶颗粒置于无水乙醇中，气凝胶与乙醇的浓度比为0.25mg/ml，在超声波清洗机中超声处理10min，超声功率为100W，得到分散均匀的气凝胶和乙醇混合浆料；将铝粉加入到上述气凝胶和乙醇混合浆料中，机械搅拌60min，转速为400r/min，获得混合均匀的气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料。之后将上述混合浆料倒入烧瓶中，通过蒸馏去除混合液中的酒精，控制蒸馏温度为80℃，获得完全干燥的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末。将混合粉末置于模具中加热至150℃热压成块，再对其进行热挤压，所选挤压比为16:1，挤压温度为300℃。
实施例2
本实施例中制备的气凝胶增强铝基复合材料为1000克，其气凝胶含量为0.1wt.％，气凝胶成分为氧化铝，气凝胶颗粒的粒径为1～5μm，基体为2024铝合金(粒度为125～175目，杂质含量不大于0.3wt.％)。具体过程为：将称量好的气凝胶颗粒置于无水乙醇中，气凝胶与乙醇的浓度比为2mg/ml，在超声波清洗机中超声处理30min，超声功率为500W，得到分散均匀的分散均匀的气凝胶和乙醇混合浆料；将铝粉加入到气凝胶和乙醇混合浆料中，机械搅拌60min，转速为500r/min，获得混合均匀的气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料。之后将上述混合浆料倒入烧杯中，通过蒸馏去除混合液中的酒精，控制蒸馏温度为80℃，获得完全干燥的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末。将混合粉末置于模具中加热至200℃热压成块，再对其进行热挤压，所选挤压比为16:1，挤压温度为400℃。
实施例3
本实施例中制备的气凝胶增强铝基复合材料为5000克，其气凝胶含量为1.0wt.％，气凝胶成分为氧化硅，气凝胶颗粒的粒径为5～20μm，基体合金为1050铝合金(粒度为200～270目，杂质含量不大于0.2wt.％)。具体过程为：将称量好的气凝胶颗粒置于无水乙醇中，气凝胶与乙醇的浓度比为10mg/ml，在超声波清洗机中超声处理30min，超声功率为300W，得到分散均匀的气凝胶和乙醇混合浆料；将铝粉加入到气凝胶和乙醇混合浆料中，机械搅拌30min，转速为300r/min，获得混合均匀的气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料。之后将上述混合浆料倒入三口烧瓶中，通过减压蒸馏去除混合液中的酒精，控制蒸馏温度为80℃，获得完全干燥的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末。将混合粉末置于模具中加热至200℃热压成块，再对其进行热挤压，所选挤压比为25:1，挤压温度为250℃。
实施例4
本实施例中制备的气凝胶增强铝基复合材料为500克，其气凝胶含量为2.0wt.％，气凝胶成分为氧化钛，气凝胶颗粒的粒径为10～30μm，基体合金为5052铝合金(粒度为60～150目，杂质含量不大于0.5wt.％)。具体过程为：将称量好的气凝胶颗粒置于无水乙醇中，气凝胶与乙醇的浓度比为25mg/ml，在超声波清洗机中超声处理60min，超声功率为400W，得到分散均匀的气凝胶和乙醇混合浆料；将铝粉加入到气凝胶和乙醇混合浆料中，机械搅拌90min，转速为600r/min，获得混合均匀的气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料。之后将上述混合浆料倒入烧瓶中，通过减压蒸馏去除混合液中的酒精，控制蒸馏温度为60℃，获得完全干燥的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末。将混合粉末置于模具中加热至200℃热压成块，再对其进行热挤压，所选挤压比为25:1，挤压温度为350℃。
实施例5
本实施例中制备的气凝胶增强铝基复合材料为500克，其气凝胶含量为5.0wt.％，气凝胶成分为氧化锆，气凝胶颗粒的粒径为20～50μm，基体为7075铝合金(粒度为120～240目，杂质含量不大于0.3wt.％)。具体过程为：将称量好的气凝胶颗粒置于无水乙醇中，气凝胶与乙醇的浓度比为50mg/ml，在超声波清洗机中超声处理60min，超声功率为500W，得到分散均匀的气凝胶和乙醇混合浆料；将铝粉加入到气凝胶和乙醇混合浆料中，机械搅拌120min，转速为500r/min，获得混合均匀的气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料。之后将上述混合浆料倒入三口烧瓶中，通过减压蒸馏去除混合液中的酒精，控制蒸馏温度为75℃，获得完全干燥的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末。将混合粉末置于模具中加热至200℃热压成块，再对其进行热挤压，所选挤压比为10:1，挤压温度为450℃。
所示实施例1-实施例5所制备气凝胶增强铝基复合材料的性能如表1所示。
表1实施例中气凝胶增强铝基复合材料的各项性能
本发明获得的气凝胶增强铝基复合材料的性能如表1所示。所制备的纯铝基复合材料，其力学性能优于纯铝基体，密度低于2.7g·cm-3，导电率不低于55％IACS；所制备的铝合金基复合材料，其力学性能具有明显提高，密度不高于2.75g·cm-3，导电率不低于50％IACS，在高性能铝结构件及对导电导热性能有特殊需求铝材料的汽车、航空航天、电力电子等领域具有广阔的应用前景。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气凝胶增强铝基复合材料，其特征在于，该复合材料的基体为纯铝或铝合金，该复合材料的增强相为气凝胶，复合材料中气凝胶的含量为0.05～5.0wt.％。
2.根据权利要求1所述的气凝胶增强铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料中气凝胶的含量为0.1～2.0wt.％。
3.根据权利要求2所述的气凝胶增强铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料中气凝胶的含量为1.0wt.％。
4.根据权利要求1-3任一所述的气凝胶增强铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料的基体成分为1XXX系列工业纯铝或2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX、8XXX系列的铝合金，1XXX和2XXX～8XXX表示以1到8中任意数字为开头的铝或铝合金牌号。
5.根据权利要求4所述的气凝胶增强铝基复合材料，其特征在于，所述气凝胶为气凝胶颗粒，其粒度为0.1～50μm；气凝胶颗粒成分为氧化硅、氧化铝、氧化钛或氧化锆。
6.一种如权利要求1-5任一所示的气凝胶增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将气凝胶颗粒置于无水乙醇中，对其进行机械搅拌和超声处理，得到气凝胶颗粒和乙醇的混合浆料；再将纯铝或铝合金粉加入上述混合浆料中，并持续施加机械搅拌和超声处理，获得气凝胶颗粒和铝粉的混合浆料；
2)将步骤1)获得的气凝胶颗粒与铝粉混合浆料，置于容器中，施加机械搅拌，蒸馏去除混合浆料中的乙醇，获得完全干燥的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末；
3)将步骤2)获得的气凝胶颗粒和铝粉的混合粉末置于模具中，在设定温度下进行热压，得到块状气凝胶和铝粉混合粉末；
4)将步骤3)获得的块状气凝胶颗粒和铝粉混合粉末置于挤压模具中，在设定温度和挤压比下，通过热挤压得到气凝胶增强铝基复合材料。
7.根据权利要求6所述的气凝胶增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，纯铝或铝合金粉的粒度为60～325目，纯铝或铝合金粉中的杂质含量≤0.5wt.％。
8.根据权利要求7所述的气凝胶增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，超声功率为100～500W，时间为10～60min；气凝胶颗粒与铝粉的搅拌时间为10～120min。
9.根据权利要求8所述的气凝胶增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，去除乙醇时的蒸馏温度为60～80℃；步骤3)中，气凝胶和铝粉的混合粉末热压的温度为200～400℃；步骤4)中，块状气凝胶和铝粉混合粉末热挤压的温度为200～450℃，挤压比为10:1～25:1。
10.一种如权利要求1-5任一所述的气凝胶增强铝基复合材料在制备轻质铝产品中的用途。
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