CN111002685A - 一种多层级复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种多层级复合材料的制备方法，包括：将第一预设厚度的Al箔和Ti箔依次叠放组装成预设总厚度的韧性单元预制体；将第一预设厚度的Ti箔和第二预设厚度的Al箔依次叠放组装成预设总厚度的脆性单元预制体；在将韧性单元预制体和脆性单元预制体交替叠放形成叠层预制体后，使用第三预设厚度的Ti箔将叠层预制体包套，并采用捆绑丝对包套后的叠层预制体进行捆绑以制备预制件；将预制件放入真空热压炉中进行热压烧结后，同时卸去压力与温度并冷却至室温以形成多层级复合材料。本发明通过利用不同厚度的Al箔与Ti箔的扩散反应，使得两种单元预制体实现宏观上与微观上的韧脆复合，从而制备力学性能优良的多层级复合材料。

Description

一种多层级复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及层状材料技术领域，特别是涉及一种多层级复合材料的制备方法。

背景技术

贝壳结构是贝类生物的主要防护结构，可以有效的保护贝类生物的软体组织。研究发现，贝壳结构主要由硬而脆的方解石结构和柔而韧的有机质复合而成，这种复合结构，在材料内部形成了大量的韧脆界面，可以有效的限制裂纹扩展，吸收大量的能量，具有显著的增韧增强效果。另外，生物材料不仅仅是简单地韧与脆的复合，组成生物材料的强、韧性单元的内部也具有着复杂的结构，可以继续的划分成强、韧性单元。如龟壳的皮质层结构，毫米尺度上可以分为脆性的角质层与韧性的皮质层，这两层进一步的也可以划分为脆性的矿物质以及韧性的胶原蛋白纤维等。因此生物材料就是通过微观上的韧脆复合结构组合成的单元进一步的组合成具有韧脆复合结构的多级结构材料，这种结构的组合方式为新一代的层级复合材料提供了参考。

基于贝壳层级复合结构而发展起来的Al-Ti层状结构材料是近年来研究的热点。这种材料利用Al与Ti的反应特性，在Ti层与Al层的界面处生成了一系列的Al与Ti金属间化合物，如AlTi₃、TiAl、Al₃Ti等，形成了大量的界面结构。生成的AlTi系金属间化合物具有明显的脆性，与反应剩余的Ti结合形成韧脆复合结构，具有良好的抗冲击和能量吸收等性能，同时这种材料具有较低的密度和较好的耐腐蚀性能。在利用这种Al-Ti层状结构材料的基础上，衍生出来多种多样的复合材料，利用这种层级结构，可以实现设计更加复杂的韧脆复合结构材料。

目前的层级结构主要通过Al与Ti扩散进行，界面结构依次是Al、Al₃Ti、AlTi、Al₃Ti等结构，尽管材料种类较多，但结构固定，实现了微米尺度上的韧脆复合，更大尺寸的韧脆复合结构并未进一步的实现。而且，为了保证力学性能，通常设计的结构中完全消耗了Al，保留了部分的Ti。

发明内容

本发明实施例提供了一种多层级复合材料的制备方法，通过利用不同厚度的Al箔与Ti箔的扩散反应，制备出两种力学性能的单元，并将单元组合实现宏观上与微观上的韧脆复合，以制备力学性能优良的多层级复合材料。

一种多层级复合材料的制备方法，所述制备方法包括：

步骤S10，将第一预设厚度的Al箔和Ti箔依次叠放组装成预设总厚度的韧性单元预制体；

步骤S11，将第一预设厚度的Ti箔和第二预设厚度的Al箔依次叠放组装成所述预设总厚度的脆性单元预制体；

步骤S12，在将所述韧性单元预制体和脆性单元预制体交替叠放形成叠层预制体后，使用第三预设厚度的Ti箔将所述叠层预制体包套，并采用捆绑丝对包套后的所述叠层预制体进行捆绑以制备预制件；

步骤S13，将所述预制件放入真空热压炉中进行热压烧结后，同时卸去压力与温度并冷却至室温以形成多层级复合材料。

进一步地，在所述步骤S10之前，所述制备方法还包括：

将第一预设厚度、第二预设厚度的Al箔，及第一预设厚度的Ti箔，分别剪裁至合适的尺寸，并用砂纸打磨干净后利用丙酮清洗；

选用碱性溶液清洗Al箔、混合酸溶液清洗Ti箔，将清洗后的Al箔、Ti箔取出并放入清水中进行浸泡；

采用超声波清洗方式对浸泡的Al箔、Ti箔进行清洗后，再将Al箔、Ti箔浸入无水乙醇溶液中进行清洗，取出烘干。

进一步地，所述碱性溶液为0.5％mol/L的NaOH溶液，清洗时间不少于1min。

进一步地，所述混合酸溶液为HF：HNO₃：H₂O＝1:1:20的混合溶液，清洗时间不少于1min。

进一步地，将Al箔、Ti箔浸入无水乙醇溶液中进行清洗时，清洗时间不少于2min。

进一步地，所述第一预设厚度为20um，所述第二预设厚度为50um，所述第三预设厚度为30um，所述预设总厚度为1.5mm。

进一步地，所述叠层预制体中的重复叠层单元不少于3个，所述捆绑丝为钢丝。

进一步地，所述步骤S13具体包括：

将所述预制件放入真空热压炉中进行热压烧结；

在第一预设压力下将所述预制件加热至第一预设温度，并在第一预设温度下保持第一预设时间；

将温度由第一预设温度升高至第二预设温度并保持第二预设时间，同时将压力由第一预设压力升高至第二预设压力；

同时卸去压力与温度并冷却至室温以形成多层级复合材料。

进一步地，所述第一预设压力为5MPa，第一预设温度为650℃，第一预设时间为3h，第二预设温度为900℃，第二预设时间为1h，第二预设压力为30MPa。

进一步地，所述多层级复合材料的微观组织结构图中，所述韧性单元预制体中存在清晰的亚层结构；

物相分析图中，所述脆性单元预制体区域中的主要相为Al₃Ti；

力学性能分析图中，所述多层级复合材料的承载能力优于单一的韧性单元预制体或脆性单元预制体。

综上，通过利用不同厚度的Al箔与Ti箔的扩散反应，制备出两种力学性能的单元预制体，并将两种单元预制体以特定的排列方式进行组合，实现宏观上与微观上的韧脆复合，以制备性能优良的多层级复合材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中多层级复合材料的制备方法的流程图。

图2是本发明中多层级复合材料的结构示意图。

图3(a)和图3(b)是本发明中多层级复合材料的微观组织结构图。

图4是本发明中多层级复合材料各个试样的物相分析图。

图5是本发明中多层级复合材料各个试样的力学性能分析图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图1，本发明提供了一种多层级复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤S10～步骤S13：

步骤S10，将第一预设厚度的Al箔和Ti箔依次叠放组装成预设总厚度的韧性单元预制体。

进一步地，在步骤S10步骤之前，所述制备方法还包括：

步骤S101，将第一预设厚度、第二预设厚度的Al箔，及第一预设厚度的Ti箔，分别剪裁至合适的尺寸，并用砂纸打磨干净后利用丙酮清洗，以去除两种箔材表面的油污；

步骤S102，选用碱性溶液清洗Al箔、混合酸溶液清洗Ti箔，将清洗后的Al箔、Ti箔取出并放入清水中进行浸泡；

进一步地，所述碱性溶液为0.5％mol/L的NaOH溶液，清洗时间不少于1min。所述混合酸溶液为HF：HNO₃：H₂O＝1:1:20的混合溶液，清洗时间不少于1min。

步骤S103，采用超声波清洗方式对浸泡的Al箔、Ti箔进行清洗后，再将Al箔、Ti箔浸入无水乙醇溶液中进行清洗，取出烘干。

进一步地，将Al箔、Ti箔浸入无水乙醇溶液中进行清洗时，清洗时间不少于2min。

步骤S11，将第一预设厚度的Ti箔和第二预设厚度的Al箔依次叠放组装成所述预设总厚度的脆性单元预制体。

本步骤中，进一步地，所述第一预设厚度为20um，所述第二预设厚度为50um，所述第三预设厚度为30um，所述预设总厚度为1.5mm。。

步骤S12，在将所述韧性单元预制体和脆性单元预制体交替叠放形成叠层预制体后，使用第三预设厚度的Ti箔将所述叠层预制体包套，并采用捆绑丝对包套后的所述叠层预制体进行捆绑以制备预制件。

进一步地，所述叠层预制体中的重复叠层单元不少于3个，所述捆绑丝为钢丝。

步骤S13，将所述预制件放入真空热压炉中进行热压烧结后，同时卸去压力与温度并冷却至室温以形成多层级复合材料。

需要说明的是，本步骤中，在真空环境下进行热压烧结的目的是为了消除相邻箔材之间空隙，促进箔材之间的扩散反应。

进一步地，所述步骤S13具体包括：

步骤S131，将所述预制件放入真空热压炉中进行热压烧结；

步骤S132，在第一预设压力下将所述预制件加热至第一预设温度，并在第一预设温度下保持第一预设时间；

步骤S133，将温度由第一预设温度升高至第二预设温度并保持第二预设时间，同时将压力由第一预设压力升高至第二预设压力；

步骤S134，同时卸去压力与温度并冷却至室温以形成多层级复合材料。

进一步地，所述第一预设压力为5MPa，第一预设温度为650℃，第一预设时间为3h，第二预设温度为900℃，第二预设时间为1h，第二预设压力为30MPa。

进一步地，所述多层级复合材料的微观组织结构图中，所述韧性单元预制体中存在清晰的亚层结构；

物相分析图中，所述脆性单元预制体区域中的主要相为Al₃Ti；

力学性能分析图中，所述多层级复合材料的承载能力优于单一的韧性单元预制体或脆性单元预制体。

下面以具体的实施例进行详细说明：

实施例1

步骤一、钛箔与铝箔的表面清洗:厚度为20um和50um的1060铝合金箔材、20um的Ti合金箔材，剪裁至合适的尺寸，用砂纸打磨干净，利用丙酮清洗箔材，去除箔材表面油污，选用0.5％mol/L的NaOH溶液清洗Al箔，用HF：HNO₃：H₂O＝1:1:20的混合溶液清洗Ti箔；分别清洗1min左右后，取出后浸泡在清水中，使用超声波清洗技术清洗箔材，再将箔材浸入无水乙醇溶液中进行二次清洗，清洗2min，取出烘干。

步骤二、制备韧脆复合单元预制体：将20um厚度的Al箔与20um厚度的Ti箔依次叠放组装成韧性单元的预制体，总厚度预计在1.5mm，将50um厚度的Al箔与20um厚度的Ti箔依次叠放组装成韧性单元的预制体，总厚度预计在1.5mm；

步骤三、将上述步骤中的韧性单元与脆性单元重复3个叠层单元，制备出具有一定厚度叠层材料预制体(如图2所示)，将预制体用30um钛箔包套，使用钢丝对其进行捆绑，制备出预制件；

步骤四、真空热压烧结：首先，在真空烧结炉中5MPa的压力下将试样加热至650℃，然后在此温度下保持3h，消除相邻箔之间空隙，并促进Al和Ti箔之间的扩散反应；

步骤五、将温度升高至900℃并保持1h，同时将压力升高至30MPa，之后同时去掉压力与温度，冷却至室温后开炉取出试样。

请参阅图3(a)，低倍结构显示包含两个单元，一个内部包含细密的层级结构，为Al20/Ti20反应的韧性层级结构，另一个较为完整的大块单元，为Al50/Ti20反应的脆性层级结构。

请参阅图3(b)，微观放大显示图中，Al20/Ti20反应的韧性层级结构中存在清晰的亚层结构，Al50/Ti20反应层主要为脆性层级结构，其中也包含了少量的其他相。

请参阅图4，Al50/Ti20区域中主要相为Al3Ti，也包含少量了其他的AlTi化合物，但Al3Ti的含量占据绝对优势，而Al20/Ti20区域各相比例相对均衡。

请参阅图5，图中，编号1为Ti20/Al20的三点弯曲实验的力学曲线，编号2为Ti20/Al50的三点弯曲实验的力学曲线，编号3为Ti20/Al20与Ti20/Al50组合结构的三点弯曲实验中韧性区域受拉曲线，编号4为Ti20/Al20与Ti20/Al50组合结构的三点弯曲实验中韧性区域受压曲线，从图中看出复合后的单元结构的承载能力好于单一的组成单元。

需要说明的是，本发明中利用两种特定的层级单元进行组合，利用10¹um尺度的Al箔材和Ti箔以特定的排列方式组成10²um尺度的韧性子层和硬性子层，然后将这两种不同特性的子层交替排列获得10³um尺度的多层级结构金属仿生复合材料。其中，一种利用Al与Ti的厚度相等或相近，利用扩散反应获得常规层级结构，即剩余Ti层以及一系列的金属间化合物层，作为韧性层；一种利用较厚的Al与较薄的Ti，形成完全的Al₃Ti层以及其他脆性化合物，作为脆性层结构。并将上述两种单元进行组合，实现宏观的韧脆复合；而由于每个层级内部具有复杂的结构，在微观上也实现了韧脆复合。因此可知，通过利用Al箔与Ti箔的材料厚度与反应时间，完全控制反应的进行程度以及剩余的材料种类，实现Al-Ti层状结构的特定设计，获得良好的力学性能。

综上，本发明通过利用不同厚度的Al箔与Ti箔的扩散反应，制备出两种力学性能的单元预制体，并将两种单元预制体以特定的排列方式进行组合，实现宏观上与微观上的韧脆复合，以制备性能优良的多层级复合材料。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种多层级复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

步骤S10，将第一预设厚度的Al箔和Ti箔依次叠放组装成预设总厚度的韧性单元预制体；

步骤S11，将第一预设厚度的Ti箔和第二预设厚度的Al箔依次叠放组装成所述预设总厚度的脆性单元预制体；

步骤S12，在将所述韧性单元预制体和脆性单元预制体交替叠放形成叠层预制体后，使用第三预设厚度的Ti箔将所述叠层预制体包套，并采用捆绑丝对包套后的所述叠层预制体进行捆绑以制备预制件；

步骤S13，将所述预制件放入真空热压炉中进行热压烧结后，同时卸去压力与温度并冷却至室温以形成多层级复合材料。

2.根据权利要求1所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S10之前，所述制备方法还包括：

将第一预设厚度、第二预设厚度的Al箔，及第一预设厚度的Ti箔，分别剪裁至合适的尺寸，并用砂纸打磨干净后利用丙酮清洗；

选用碱性溶液清洗Al箔、混合酸溶液清洗Ti箔，将清洗后的Al箔、Ti箔取出并放入清水中进行浸泡；

采用超声波清洗方式对浸泡的Al箔、Ti箔进行清洗后，再将Al箔、Ti箔浸入无水乙醇溶液中进行清洗，取出烘干。

3.根据权利要求2所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为0.5％mol/L的NaOH溶液，清洗时间不少于1min。

4.根据权利要求2所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合酸溶液为HF：HNO₃：H₂O＝1:1:20的混合溶液，清洗时间不少于1min。

5.根据权利要求2所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，将Al箔、Ti箔浸入无水乙醇溶液中进行清洗时，清洗时间不少于2min。

6.根据权利要求1所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一预设厚度为20um，所述第二预设厚度为50um，所述第三预设厚度为30um，所述预设总厚度为1.5mm。

7.根据权利要求1所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，所述叠层预制体中的重复叠层单元不少于3个，所述捆绑丝为钢丝。

8.根据权利要求1所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S13具体包括：

将所述预制件放入真空热压炉中进行热压烧结；

在第一预设压力下将所述预制件加热至第一预设温度，并在第一预设温度下保持第一预设时间；

将温度由第一预设温度升高至第二预设温度并保持第二预设时间，同时将压力由第一预设压力升高至第二预设压力；

同时卸去压力与温度并冷却至室温以形成多层级复合材料。

9.根据权利要求8所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一预设压力为5MPa，第一预设温度为650℃，第一预设时间为3h，第二预设温度为900℃，第二预设时间为1h，第二预设压力为30MPa。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的多层级复合材料的制备方法，其特征在于，所述多层级复合材料的微观组织结构图中，所述韧性单元预制体中存在清晰的亚层结构；

物相分析图中，所述脆性单元预制体区域中的主要相为Al₃Ti；

力学性能分析图中，所述多层级复合材料的承载能力优于单一的韧性单元预制体或脆性单元预制体。

Images