CN110512154B - 一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。该复合材料具有陶瓷层与铝合金层交替叠层而形成的层状结构，同时在层状结构中具有随机分布的空心陶瓷球，而空心陶瓷球中又具有纳米陶瓷纤维增强。该复合材料是先以纳米陶瓷颗粒为原材料通过自组装方法形成具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷，再通过液相浸渗方法将上述多孔陶瓷与铝合金复合而形成的。性能测试表明，与不含空心陶瓷球结构的层状铝基复合材料相比，本发明制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料的密度更低，比强度更高，因而有利于实现更优的结构减重效果。
Description
技术领域
本发明专利属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着航空、航天飞行器、高铁及汽车等交通运输工具的发展,对这些交通运输工具结构轻量化的要求越来越高。结构减重不仅能够有效提高这些交通运输工具的性能，并且能够带来节能减排、经济环保等好处。开发轻质高强材料是实现结构轻量化的重要前提。
铝合金具有密度小、比强度较高的特点，因而在航空、航天飞行器、高铁及汽车等领域具有大量的应用。但强度较低限制了铝合金的进一步应用。将陶瓷材料和铝合金进行叠层，制成层状复合材料，可以综合陶瓷材料强度高、模量高和金属材料韧性好的优点，获得更优的综合力学性能。同时，该复合材料的层状结构具有结构可调的特点，可以很容易地通过改变各组成相的层厚来改变组成相含量和复合材料性能，从而能够更好地满足不同的应用要求。常用的层状铝基复合材料体系主要有SiC-Al和Al2O3-Al体系。相比于单一铝合金材料，这些层状铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、高耐磨性和尺寸稳定性好等优点，因而，成为国内外研究的热点，在航空航天、汽车、电子封装、体育器材等领域内有广阔应用前景。
传统的层状复合材料是由致密的组元层构成的，它们的密度是各组成相密度的平均值。SiC-Al复合材料的密度是SiC密度和Al密度的平均值；Al2O3-Al复合材料的密度是Al2O3密度和Al密度的平均值。SiC密度为3.2g/cm3，Al2O3密度为3.9g/cm3，两者密度均高于Al的密度2.70g/cm3。因而，将SiC或Al2O3加入到铝或铝合金中制成复合材料时，通常会增加材料的密度，不利于制备更轻质的材料。
发明内容
本发明针对现有的层状SiC-Al和Al2O3-Al复合材料密度高(高于铝合金的密度)的问题，提出一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料及其制备方法。与现有的陶瓷-铝层状复合材料相比，本发明将空心陶瓷球结构进一步引入到了陶瓷-铝层状复合材料中，从而在保证陶瓷-铝层状复合材料具有优异的力学性能的同时，进一步降低材料密度，提升材料比强度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料，所述的铝基复合材料具有陶瓷层与铝合金层交替叠层而形成的层状结构，同时在层状结构中具有随机分布的纳米陶瓷纤维增强的空心陶瓷球。这些纳米陶瓷纤维分布于空心陶瓷球内部，构成三维网状结构，用于增加空心陶瓷球的强度。
所述的基体相(将被增强的金属材料称为金属基复合材料的基体相)为铝合金，优选为Al-10wt.％Mg。
所述的陶瓷增强相(将添加到金属材料中增加金属材料强度的陶瓷材料称为陶瓷增强相)为氧化铝或碳化硅。
一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料的制备方法，步骤如下：
1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米陶瓷增强相颗粒和占纳米陶瓷增强相颗粒1～30wt.％的烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒。将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为5～30％:95～70％的比例配料。将占纳米陶瓷颗粒质量0.2～2.0wt.％的分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量1.0～4.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止。接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为5～30vol.％的陶瓷颗粒分散液。
所述的纳米陶瓷颗粒的粒径小于40纳米。
所述的陶瓷增强相颗粒为氧化铝或碳化硅。
所述的分散剂和烧结助剂，对于碳化硅陶瓷颗粒，选用的分散剂为羧甲基纤维素钠，选用的烧结助剂为氧化铝颗粒。对于氧化铝陶瓷颗粒，选用的分散剂为聚丙烯酸铵，选用的烧结助剂为二氧化硅颗粒。
2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体。然后将得到的多孔陶瓷坯体先在500～700℃的空气环境中预烧2h，随后在1500-1800℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架。
所述的金属块材质为铜或铝；
所述的冷冻剂为液氮。
3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将铝合金与多孔陶瓷按体积比不小于1:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部。在氮气气氛、一个大气压和1050-1150℃的条件下浸渗1-4h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料。
所述的铝合金，优选为Al-10wt.％Mg。
本发明的有益效果是制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料中，同时具有层状结构和纳米陶瓷纤维增强的空心陶瓷球结构。性能测试表明，与不含空心陶瓷球结构的层状铝基复合材料和铝合金相比，本发明制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料的密度更低，比强度更高，因而有利于实现更优的结构减重效果。
附图说明
图1是本发明制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架的典型微观结构；
图2是本发明制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料的典型微观结构。
图中：1多孔陶瓷骨架横断面上断裂的空心陶瓷球；2铝基复合材料横断面上断裂的具有纳米陶瓷纤维增强的空心陶瓷球。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米SiC陶瓷颗粒和占纳米SiC陶瓷颗粒30wt.％的纳米Al2O3烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒。将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为5％:95％的比例配料。将占纳米陶瓷颗粒质量0.2wt.％的羧甲基纤维素钠分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量4.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止。接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为5vol.％的陶瓷颗粒分散液。所用的纳米SiC和Al2O3陶瓷颗粒的粒径为30纳米。
2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于-38℃，气压为60Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体。然后将得到的多孔陶瓷坯体先在700℃的空气环境中预烧2h，再在1800℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架。
所述的金属块材质为铝；
所述的冷冻剂为液氮。
3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将Al-10wt.％Mg合金与多孔陶瓷按体积比1.2:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部。在氮气气氛、一个大气压和1150℃的条件下浸渗1h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料。
所述的SiC-Al复合材料中多孔陶瓷骨架的体积分数为8％。
性能测试表明，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的密度和比强度分别为2.10g.cm-3和220MPa·cm3·g-1。
在与本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的材料组成和多孔陶瓷骨架体积分数相同的情况下，制备的不含空心陶瓷球结构的层状SiC-Al复合材料的密度和比强度分别为2.65g.cm-3和212MPa·cm3·g-1。
Al-10wt.％Mg合金的密度和比强度分别为2.56g.cm-3和140MPa·cm3·g-1。
相比于后两者，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的密度更小，比强度更高。
实施例2：
1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米SiC陶瓷颗粒和占纳米SiC陶瓷颗粒17wt.％的纳米Al2O3烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒。将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为10％:90％的比例配料。将占纳米陶瓷颗粒质量0.6wt.％的羧甲基纤维素钠分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量2.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止。接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为10vol.％的陶瓷颗粒分散液。
所用的纳米SiC和Al2O3陶瓷颗粒的粒径为40纳米。
2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于-58℃，气压为20Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体。然后将得到的多孔陶瓷坯体先在700℃的空气环境中预烧2h，再在1700℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架。制得的具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架微观形貌如图1所示。
所述的金属块材质为铜；
所述的冷冻剂为液氮。
3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将Al-10wt.％Mg合金与多孔陶瓷按体积比1:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部。在氮气气氛、一个大气压和1100℃的条件下浸渗2h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料。制得的具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料微观形貌如图2所示。
所述的SiC-Al复合材料中多孔陶瓷骨架的体积分数为14％。
性能测试表明，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的密度和比强度分别为2.16g.cm-3和231MPa·cm3·g-1。
在与本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的材料组成和多孔陶瓷骨架体积分数相同的情况下，制备的不含空心陶瓷球结构的层状SiC-Al复合材料的密度和比强度分别为2.70g.cm-3和220MPa·cm3·g-1。
Al-10wt.％Mg合金的密度和比强度分别为2.56g.cm-3和140MPa·cm3·g-1。
相比于后两者，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的密度更小，比强度更高。
实施例3：
1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米SiC陶瓷颗粒和占纳米SiC陶瓷颗粒10wt.％的纳米Al2O3烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒。将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为20％:80％的比例配料。将占纳米陶瓷颗粒质量1.5wt.％的羧甲基纤维素钠分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量1.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止。接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为20vol.％的陶瓷颗粒分散液。
所用的纳米SiC和Al2O3陶瓷颗粒的粒径为30纳米。
2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于-58℃，气压为60Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体。然后将得到的多孔陶瓷坯体先在700℃的空气环境中预烧2h，再在1800℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架。
所述的金属块材质为铜；
所述的冷冻剂为液氮。
3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将Al-10wt.％Mg合金与多孔陶瓷按体积比1:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部。在氮气气氛、一个大气压和1050℃的条件下浸渗4h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料。
所述的SiC-Al复合材料中多孔陶瓷骨架的体积分数为25％。
性能测试表明，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的密度和比强度分别为2.20g.cm-3和235MPa·cm3·g-1。
在与本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的材料组成和多孔陶瓷骨架体积分数相同的情况下，制备的不含空心陶瓷球结构的层状SiC-Al复合材料的密度和比强度分别为2.78g.cm-3和224MPa·cm3·g-1。
Al-10wt.％Mg合金的密度和比强度分别为2.56g.cm-3和140MPa·cm3·g-1。
相比于后两者，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的SiC-Al复合材料的密度更小，比强度更高。
实施例4：
1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米Al2O3陶瓷颗粒和占纳米Al2O3陶瓷颗粒10wt.％的纳米SiO2烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒。将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为30％:70％的比例配料。将占纳米陶瓷颗粒质量2.0wt.％的聚丙烯酸铵分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量3.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止。接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为30vol.％的陶瓷颗粒分散液。
所用的纳米Al2O3和SiO2陶瓷颗粒的粒径为30纳米。
2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于-18℃，气压为600Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体。然后将得到的多孔陶瓷坯体先在500℃的空气环境中预烧2h，再在1500℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架。
所述的金属块材质为铜；
所述的冷冻剂为液氮。
3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将Al-10wt.％Mg合金与多孔陶瓷按体积比1.2:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部。在氮气气氛、一个大气压和1120℃的条件下浸渗2h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料。
所述的Al2O3-Al复合材料中多孔陶瓷骨架的体积分数为38％。
性能测试表明，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的密度和比强度分别为2.47g.cm-3和203MPa·cm3·g-1。
在与本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的材料组成和多孔陶瓷骨架体积分数相同的情况下，制备的不含空心陶瓷球结构的层状Al2O3-Al复合材料的密度和比强度分别为3.18g.cm-3和188MPa·cm3·g-1。
Al-10wt.％Mg合金的密度和比强度分别为2.56g.cm-3和140MPa·cm3·g-1。
相比于后两者，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的密度更小，比强度更高。
实施例5：
1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米Al2O3陶瓷颗粒和占纳米Al2O3陶瓷颗粒1wt.％的纳米SiO2烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒。将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为15％:85％的比例配料。将占纳米陶瓷颗粒质量1.0wt.％的聚丙烯酸铵分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量2.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止。接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为15vol.％的陶瓷颗粒分散液。
所用的纳米Al2O3和SiO2陶瓷颗粒的粒径为30纳米。
2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于-58℃，气压为20Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体。然后将得到的多孔陶瓷坯体先在600℃的空气环境中预烧2h，再在1650℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架。
所述的金属块材质为铜；
所述的冷冻剂为液氮。
3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将Al-10wt.％Mg合金与多孔陶瓷按体积比1:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部。在氮气气氛、一个大气压和1100℃的条件下浸渗2h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料。
所述的Al2O3-Al铝基复合材料中多孔陶瓷骨架的体积分数为20％。
性能测试表明，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的密度和比强度分别为2.40g.cm-3和213MPa·cm3·g-1。
在与本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的材料组成和多孔陶瓷骨架体积分数相同的情况下，制备的不含空心陶瓷球结构的层状Al2O3-Al复合材料的密度和比强度分别为3.02g.cm-3和201MPa·cm3·g-1。
Al-10wt.％Mg合金的密度和比强度分别为2.56g.cm-3和140MPa·cm3·g-1。
相比于后两者，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的密度更小，比强度更高。
实施例6：
1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米Al2O3陶瓷颗粒和占纳米Al2O3陶瓷颗粒3wt.％的纳米SiO2烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒。将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为8％:92％的比例配料。将占纳米陶瓷颗粒质量1.0wt.％的聚丙烯酸铵分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量2.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止。接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为8vol.％的陶瓷颗粒分散液。
所用的纳米Al2O3和SiO2陶瓷颗粒的粒径为30纳米。
2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于-48℃，气压为20Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体。然后将得到的多孔陶瓷坯体先在500℃的空气环境中预烧2h，再在1600℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架。
所述的金属块材质为铜；
所述的冷冻剂为液氮。
3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将Al-10wt.％Mg合金与多孔陶瓷按体积比1:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部。在氮气气氛、一个大气压和1100℃的条件下浸渗3h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料。
所述的Al2O3-Al铝基复合材料中多孔陶瓷骨架的体积分数为12％。
性能测试表明，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的密度和比强度分别为2.35g.cm-3和206MPa·cm3·g-1。
在与本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的材料组成和多孔陶瓷骨架体积分数相同的情况下，制备的不含空心陶瓷球结构的层状Al2O3-Al复合材料的密度和比强度分别为2.94g.cm-3和195MPa·cm3·g-1。
Al-10wt.％Mg合金的密度和比强度分别为2.56g.cm-3和140MPa·cm3·g-1。
相比于后两者，本实施例制备的具有层状和空心陶瓷球复合结构的Al2O3-Al复合材料的密度更小，比强度更高。
Claims (2)
1.一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料，其特征在于，所述的铝基复合材料具有陶瓷层与铝合金层交替叠层而形成的层状结构，同时在层状结构中具有随机分布的纳米陶瓷纤维增强的空心陶瓷球；这些纳米陶瓷纤维分布于空心陶瓷球内部，构成三维网状结构，用于增加空心陶瓷球的强度；
将被增强的金属材料称为金属基复合材料的基体相，所述的基体相为铝合金为Al-10wt.％Mg；
将添加到金属材料中增加金属材料强度的陶瓷材料称为陶瓷增强相，所述的陶瓷增强相为氧化铝或碳化硅。
2.一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米陶瓷增强相颗粒和占纳米陶瓷增强相颗粒1～30wt.％的烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒；将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为5～30％:95～70％的比例配料；将占纳米陶瓷颗粒质量0.2～2.0wt.％的分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量1.0～4.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止；接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为5～30vol.％的陶瓷颗粒分散液；
所述的纳米陶瓷颗粒的粒径小于40纳米；
所述的陶瓷增强相颗粒为氧化铝或碳化硅；
所述的分散剂和烧结助剂，对于碳化硅陶瓷颗粒，选用的分散剂为羧甲基纤维素钠，选用的烧结助剂为氧化铝颗粒；对于氧化铝陶瓷颗粒，选用的分散剂为聚丙烯酸铵，选用的烧结助剂为二氧化硅颗粒；
2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块上，将该金属块作为冷指，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块；将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体；然后将得到的多孔陶瓷坯体先在500～700℃的空气环境中预烧2h，随后在1500-1800℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架；
所述的金属块材质为铜或铝；
所述的冷冻剂为液氮；
3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将铝合金与多孔陶瓷按体积比不小于1:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部；在氮气气氛、一个大气压和1050-1150℃的条件下浸渗1-4h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料；
所述的铝合金为Al-10wt.％Mg。
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