CN111979453A - 一种高强高导铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强高导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。本发明所述的复合材料中气凝胶的质量百分比为0.1~40.0%，复合材料的基体为纯铝或铝合金。本发明通过在铝合金的液态或半固态区间施加搅拌，并通过对复合材料熔体进行超声处理，获得了气凝胶分布均匀，组织均匀的铝基复合材料。此外，可以对获得的铝基复合材料进行挤压、轧制、拉拔等塑性成形加工，进一步获得力学性能更优异的变形态铝基复合材料。本发明解决了亚微米及微米级气凝胶颗粒在铝合金基体中的均匀有效分散的技术问题，具有工艺简单、生产成本低等优点，适合于大体积大规模生产高强高导铝基复合材料。获得的铝基复合材料密度低、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。

Description

一种高强高导铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强高导铝基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料及其制备技术领域。

背景技术

工业纯铝具有良好的导电导热性能，但是强度、硬度较低，严重限制了其使用范围。在纯铝中添加铜、镁、锌、锰、硅等元素后可有效的提高合金的强度、硬度等性能，获得的各种牌号的铝合金，但同时也显著的降低了铝合金的导电导热性能，如，7系的高强铝合金其电导率仅为30-40%IACS，仅为纯铝电导率的50%左右。

随着3C、电力电子、航空航天等高新技术产业的迅速发展，尤其是微电子行业的发展，对轻质、高导热、高导电材料的需求日益迫切，具有低密度、高强度和高导电率的铝基材料有着广泛的应用前景。

传统的高强高导铝合金材料是通过添加合金元素、成分设计、热处理、塑性加工等技术来实现的。通过固溶强化、晶界强化等方式虽然可以提高铝合金的强度和电导率，但提高幅度有限。加工硬化虽然可以显著提高铝合金材料的强度，但是对其电导率影响显著。综上，上述方法在提高铝合金强度的同时会显著降低合金的导电率，难以同时兼顾合金的强度和导电率。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。

在纯铝或铝合金中添加硬质颗粒，通过弥散强化的方式，获得铝基复合材料，可以在提高铝材料的强度的同时，保证其导电导热性能不显著下降。SiC、AlN等陶瓷颗粒已在相关铝基复合材料中得到应用。如发明专利CN101956113B提供了一种SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，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，使铝合金的力学性能和电学性能得到良好的匹配，但存在制备工艺复杂等不足。

值得注意的是，通过弥散强化的方式获得高强高导铝基复合材料时，作为弥散强化的第二相的性质将显著影响最终获得的铝基复合材料的性能。与传统的增强相颗粒相比，氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化钛等气凝胶材料由于具有特殊的微纳空洞结构，具备极低密度、及高强度、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

本发明的目的是针对目前高强高导铝合金及铝基复合材料材料开发中所面临的上述问题及不足，提供一种低密度、高强度，同时具备良好导电导热性能的铝基复合材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高强高导铝基复合材料，复合材料的铝基体为纯铝、变形铝合金或铸造铝合金，复合材料的增强相为气凝胶。

优选的，复合材料中气凝胶的含量为0.1~40.0 wt.%。

优选的，所述变形铝合金基体成分为“变形铝及铝合金牌号表示方法（GB/T16474-2011）”标准中涉及的1XXX系列工业纯铝或2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX、8XXX系列变形铝合金。

优选的，所述铸造铝合金基体成分为“铸造铝合金（GB/T 1173-2013）”标准中涉及的铝合金牌号ZL1XX、ZL2XX、ZL3XX或ZL4XX系铸造铝合金。

优选的，所述的气凝胶为氧化硅、氧化铝、氧化钛或氧化锆颗粒，粒径为0.1~50μm。

上述高强高导铝基复合材料，其制备方法包括以下步骤：

（1）将一定质量的气凝胶颗粒与纯铝粉或铝合金粉混合，获得气凝胶/铝前驱体。

（2）将步骤（1）获得的前驱体加入到熔融的铝液中，并机械搅拌5~30min，使气凝胶颗粒在铝熔液中得到均匀分布。

（3）对步骤（2）获得的复合材料熔体进行超声处理后，在金属模或砂模中浇铸成型，获得高强高导铝基复合材料。

优选的，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.%。

优选的，步骤（1）中所获得的气凝胶/铝前驱体中，气凝胶的含量为1~90 wt.%。

优选的，步骤（2）中对铝合金熔液进行搅拌处理时，熔体的温度范围为其液相线以下50℃至液相线以上100℃。

优选的，步骤（3）中对复合材料熔体进行超声处理时，熔体温度为其液相线以上20~100℃，单位重量复合材料熔体对应的超声功率为100~1000W/kg，超声处理时间为5~30min。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明通过添加具有高硬度和低密度的气凝胶颗粒，大幅度提高了铝及其合金的力学性能，同时有效保持了铝合金基体低密度、导热导电性能良好的特性。

（2）本发明通过超声分散、半固态搅拌等工艺，使气凝胶颗粒在铝合金基体中得到有效分散，获得增强相颗粒分布均匀，组织均匀的铝基复合材料。

（3）本发明所用的制备工艺简便，设备要求低，生产成本低，能够得到大体积、高增强相含量的复合材料，克服了传统粉末冶金工艺的不足，适合于高强高导铝基复合材料的大规模生产。

具体实施方式

实施例1

本实施例中制备的高强高导铝基复合材料的总重量为5000克，设计其气凝胶含量为20.0%（重量百分比，下同），气凝胶成分为氧化锆，气凝胶颗粒的粒径为10~20μm；基体合金为牌号为1100铝合金，杂质含量不大于0.1wt.%，其余为Al。具体过程为：将一定质量的气凝胶颗粒与纯铝合金粉混合（铝粉粒度为200目，杂质含量不大于0.5wt.%），得到气凝胶含量为90wt.%的气凝胶/铝前驱体；将气凝胶/铝前驱体加入到690℃（约高于合金液相线30℃）的熔融铝液中，并机械搅拌30min，使得气凝胶在熔液中均匀分布；将复合材料熔体加热至720℃（约高于合金液相线60℃），对其进行20min的超声处理，超声功率为2500W，超声结束后保温，并在金属模具中浇铸成型，获得其气凝胶含量为40.0%的高强高导铝基复合材料坯料。后续将复合坯料进行热挤压和冷拉拔，挤压比为81:1，拉拔比为25:1，最终获得高强高导铝基复合材料线材。所制备高强高导铝基复合材料的性能如表1所示。

实施例2

本实施例中制备的高强高导铝基复合材料为1000克，设计其气凝胶含量为40.0%（重量百分比，下同），气凝胶成分为氧化硅，气凝胶颗粒的粒径为15~30μm；基体合金为牌号为1050铝合金，杂质含量不大于0.05wt.%，其余为Al。具体过程为：将一定质量的气凝胶颗粒与纯铝合金粉混合（铝粉粒度为325目，杂质含量不大于0.1wt.%），得到气凝胶含量为80wt.%的气凝胶/铝前驱体；将气凝胶/铝前驱体加入到720℃（约高于合金液相线60℃）的熔融铝液中，并机械搅拌15min，使得气凝胶在熔液中均匀分布；将复合材料熔体加热至680℃（约高于合金液相线20℃），对其进行20min的超声处理，超声功率为1000W，超声结束后保温，并在砂模中浇铸成型，获得气凝胶含量为40.0%的高强高导铝基复合材料坯料。将复合坯料进行热挤压和冷拉拔，挤压比为81:1，拉拔比为16:1，最终获得高强高导铝基复合材料线材。所制备高强高导铝基复合材料的性能如表1所示。

实施例3

本实施例中制备的高强高导铝基复合材料为2000克，其气凝胶含量为0.1%（重量百分比，下同），气凝胶成分为氧化硅，气凝胶颗粒的粒径为5~10μm；基体合金为ZL101，杂质含量不超过0.2%，其余为Al。具体过程为：将一定质量的气凝胶颗粒与铝合金粉混合（铝粉粒度为300目，杂质含量不大于0.2%），得到气凝胶含量为1%的气凝胶/铝前驱体；将气凝胶/铝前驱体加入到595℃（约低于合金液相线20℃）的熔融铝液中，并搅拌5min，使得气凝胶在熔液中均匀分布；将复合材料熔体加热至715℃（约高于合金液相线100℃），对其进行5min的超声处理，超声功率200W，超声结束后保温，并在金属模具中浇铸成型，获得气凝胶含量为0.1%的高强高导铝基复合材料坯料。所制备高强高导铝基复合材料的性能如表1所示。

实施例4

本实施例中制备的高强高导铝基复合材料为2000克，其气凝胶含量为2.0%（重量百分比，下同），气凝胶成分为氧化钛，气凝胶颗粒的粒径为40~50μm；基体合金为ZL203，杂质含量不超过0.2%，其余为Al。具体过程为：将一定质量的气凝胶颗粒与铝合金粉混合（铝粉粒度为60目，杂质含量不大于0.2%），得到气凝胶含量为10%的气凝胶/铝前驱体；将气凝胶/铝前驱体加入到600℃（约低于合金液相线50℃）的熔融铝液中，并搅拌10min，使得气凝胶在熔液中均匀分布；将复合材料熔体加热至700℃（约高于液相线50℃），对其进行10min的超声处理，超声功率600W，超声结束后保温，并在金属模具中浇铸成型，获得其气凝胶含量为2.0%的高强高导铝基复合材料坯料。所制备高强高导铝基复合材料的性能如表1所示。

实施例5

本实施例中制备的高强高导铝基复合材料为5000克，其气凝胶含量为5.0%（重量百分比，下同），气凝胶成分为氧化硅，气凝胶颗粒的粒径为0.1~1μm；基体合金为6061，杂质含量不超过0.15%，其余为Al。具体过程为：将一定质量的气凝胶颗粒与铝合金粉混合（铝粉粒度为150目，杂质含量不大于0.2wt.%），得到气凝胶含量为20wt.%的气凝胶/铝前驱体；将气凝胶/铝前驱体加入到660℃（约高于合金液相线10℃）的熔融铝液中，并搅拌15min，使得气凝胶在熔液中均匀分布；将复合材料熔体加热至730℃（约高于合金液相线80℃），对其进行15min的超声处理，超声功率为2000W，超声结束后保温，并在砂模中浇铸成型，获得气凝胶含量为5.0%的高强高导铝基复合材料坯料。将复合坯料进行热挤压和冷拉拔，挤压比为81:1，拉拔比为9:1，最终获得高强高导铝基复合材料型材。所制备高强高导铝基复合材料的性能如表1所示。

实施例6

本实施例中制备的高强高导铝基复合材料为5000克，其气凝胶含量为10.0%（重量百分比，下同），气凝胶成分为氧化硅，气凝胶颗粒的粒径为1~5μm；基体合金为5005，杂质含量不超过0.15%，其余为Al。具体过程为：将一定质量的气凝胶颗粒与铝合金粉混合（铝粉粒度为100目，杂质含量不大于0.2wt.%），得到气凝胶含量为40wt.%的气凝胶/铝前驱体；将气凝胶/铝前驱体加入到640℃（约低于合金液相线10℃）的熔融铝液中，并搅拌20min，使得气凝胶在熔液中均匀分布；将熔液加热至680℃（约高于合金液相线30℃），对其进行15min的超声处理，超声功率3000W，超声结束后保温，并在砂模中浇铸成型，获得气凝胶含量为10.0%的高强高导铝基复合材料坯料。将复合坯料进行热挤压和冷拉拔，挤压比为81:1，拉拔比为9:1，最终获得高强高导铝基复合材料型材。所制备高强高导铝基复合材料的性能如表1所示。

本发明获得的高强高导铝基复合材料的性能如表1所示。所制备的复合材料，其力学性能均优于纯铝或铝合金基体，密度均低于2.75g·cm^-3，同时保持了良好的导电性能，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。

表1 实施例中高强高导铝基复合材料的成分及性能

尽管这里已详细列出并说明了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种改进、添加、替换等，这些内容都被视为处于权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强高导铝基复合材料，其特征在于：复合材料的铝基体为纯铝、变形铝合金或铸造铝合金，复合材料的增强相为气凝胶，复合材料中气凝胶的含量为0.1～40.0wt.％。

2.根据权利要求1所述的高强高导铝基复合材料，其特征在于：所述变形铝合金基体成分为1XXX系列工业纯铝或2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX、8XXX系列变形铝合金。

3.根据权利要求1所述的高强高导铝基复合材料，其特征在于：所述铸造铝合金基体成分为ZL1XX、ZL2XX、ZL3XX或ZL4XX系铸造铝合金。

4.根据权利要求1所述的高强高导铝基复合材料，其特征在于：所述的气凝胶为氧化硅、氧化铝、氧化钛或氧化锆颗粒，粒径为0.1～50μm。

5.根据权利要求1～4所述的高强高导铝基复合材料，其特征在于复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将一定质量的气凝胶颗粒与纯铝粉或铝合金粉混合，获得气凝胶/铝前驱体；

(2)将步骤(1)获得的前驱体加入到熔融的铝液中，并机械搅拌5～30min，使气凝胶颗粒在铝熔液中得到均匀分布；

(3)对步骤(2)获得的复合材料熔体进行超声处理后，在金属模或砂模中浇铸成型，获得高强高导铝基复合材料。

6.根据权利要求5所述的高强高导铝基复合材料的制备方法，其特征在于：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.％。

7.根据权利要求5所述的高强高导铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所获得的气凝胶/铝前驱体中，气凝胶的含量为1～90wt.％。

8.根据权利要求5所述的高强高导铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中对铝合金熔液进行搅拌处理时，熔体的温度范围为其液相线以下50℃至液相线以上100℃。

9.根据权利要求5所述的高强高导铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中对复合材料熔体进行超声处理时，熔体温度为其液相线以上20～100℃，单位重量复合材料熔体对应的超声功率为100～1000W/kg，超声处理时间为5～30min。