CN112011717A - 一种高强度低膨胀复合材料及制备方法 - Google Patents

一种高强度低膨胀复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高精密仪器技术领域，提供一种高强度低膨胀复合材料及制备方法，所述低膨胀复合材料的化学式为R2Fe14+xB，其中0＜X≤24，R为稀土元素。所述制备方法在R2Fe14B型金属间化合物中引入α‑Fe相作为第二相，其中R为稀土元素，R2Fe14B表现为负热膨胀，α‑Fe表现为正热膨胀，通过控制两相比例调控正热膨胀和负热膨胀，得到宽温区的高强度低膨胀复合材料材料。本发明高强度低膨胀复合材料合成步骤简单容易实现，且通过共晶反应形成的相界面比传统的固相烧结的到的复合结构更加稳定，实现了热膨胀的调控的同时，力学性能也得到了显著的提升。

Description

一种高强度低膨胀复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及高精密仪器技术领域，特别涉及一种高强度低膨胀复合材料及制备方法。
背景技术
零(低)膨胀材料作为一种功能材料是指随温度变化其本身尺寸不发生任何变化的材料。主要应用在高精密仪器领域，例如光学仪器、微电子器件、航空航天等，目前迫切需要形状和尺寸不随温度变化的材料，以保证其构件具有高的尺寸稳定性、精密性和长的使用寿命，而低(近零)热膨胀材料的微观尺寸随温度变化近似保持不变，可以在特定温度区域内保持体积既不膨胀也不收缩，因此此类材料的研究日益受到重视。
零(低)膨胀材料主要可以分为陶瓷和金属以及复合材料三大类。陶瓷材料因力学性能差以及在导热、导电方面均表现平平，致使其无法真正推广应用。金属材料虽然有着优异的导热、导电性能，但有零膨胀性性能材料种类稀少，且主要存在于金属间化合物中。但是金属间化合物本身固有的脆性，导致其也无法真正走向应用。传统的复合材料一般是通过固相烧结形成金属/陶瓷基复合零膨胀材料。然而，这种复合对于力学性能提升有限以及两种材料本身的热膨胀性能不匹配也会导致产生热裂纹而失效。
因此，有必要研究一种具有高强度的低膨胀复合材料及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术的不足，提供了一种高强度低膨胀复合材料及制备方法，通过在R2Fe14B(R指稀土元素)型金属间化合物基体中引入α-Fe第二相，合成步骤简单容易实现，且通过共晶反应形成的相界面比传统的固相烧结的到的复合结构更加稳定，实现了热膨胀的调控的同时，力学性能也得到了显著的提升。
本发明采用如下技术方案：
一种高强度低膨胀复合材料的制备方法，在R2Fe14B型金属间化合物中引入α-Fe相作为第二相，其中R为稀土元素，R2Fe14B表现为负热膨胀，α-Fe表现为正热膨胀，通过控制两相比例调控正热膨胀和负热膨胀，得到宽温区的高强度低膨胀复合材料材料；；所述的低膨胀复合材料的化学式为R2Fe14+xB，其中0＜X≤24。
进一步的，所述制备方法包括如下步骤：
S1：准备R2Fe14B型金属间化合物原料和α-Fe相原料；
S2：将步骤S1中两种原料混合；
S3：通过电弧炉将混合后的原料熔炼均匀；
S4：将熔炼均匀的样品置于保护气氛下退火；
S5：退火结束后，即获得高强度低膨胀复合材料。
进一步的，步骤S1中，R2Fe14B型金属间化合物原料和α-Fe原料的纯度均>99.5％。
进一步的，步骤S1中，R2Fe14B相为四方晶系，空间群为P42/mnm。
进一步的，步骤S1中，α-Fe相为立方晶系，空间群为Im-3m。
进一步的，步骤S4具体为：样品置于保护气氛下，900℃退火至少24h；保护气氛为真空或惰性气体。
进一步的，所述R2Fe14B型金属间化合物为基体相，所述α-Fe相为塑性第二相，通过引入塑性第二相以改善基体相的力学行为，通过两相的协同作用，抑制金属间化合物的本征脆性。
本发明还提供了一种高强度低膨胀复合材料，使用上述的制备方法得到。
进一步的，所述的低膨胀复合材料的化学式为R2Fe14+xB，其中0＜X≤24，R为稀土元素。
进一步的，所述高强度低膨胀复合材料中包括Er2Fe18B，所述Er2Fe18B在100～433K温度区间内表现低膨胀特性，线膨胀系数αl为1.60×10-6。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1、本发明所述低膨胀复合材料形状和尺寸不随温度变化而变化，具有高的尺寸稳定性、精密性和长的使用寿命，低(近零)热膨胀材料的微观尺寸随温度变化近似保持不变，可以在特定温度区域内保持体积既不膨胀也不收缩；
2、本发明所述零(低)膨胀复合材料形状是一种具有优异的力学性能的零(低)膨胀复合材料，克服了传统金属间化合物的本征脆性，同时也比传统的陶瓷材料拥有更高的导热、导电率，且原材料相对于金属间化合物更为低廉，使之真正走向应用成为可能。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种高强度低膨胀复合材料，R＝Er时，Er2Fe18B粉末在300K下X射线衍射结构精修图谱。
图2所示为Er2Fe14B相与α-Fe相的电子探针微结构图。
图3所示为R2Fe14+xB(x＝4)和纯α-Fe相线膨胀图，其中A-Er2Fe18B；B-Ho2Fe18B；C-Tb2Fe16.8B。
图4所示为Er2Fe18B在300K下的工程应力应变曲线及加工的样品图。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
本发明实施例一种高强度低膨胀复合材料，其化学式为R2Fe14+xB，其中0＜X≤24，R为稀土元素。作为一具体实施例，当所述高强度低膨胀复合材料为Er2Fe18B，所述Er2Fe18B在100～433K温度区间内表现低膨胀特性，线膨胀系数αl为1.60×10-6，压缩强度δs＝1112Mpa。
本发明还提供了一种高强度低膨胀复合材料的制备方法，在R2Fe14B型金属间化合物中引入α-Fe相作为第二相，其中R为稀土元素，R2Fe14B表现为负热膨胀，α-Fe表现为正热膨胀，通过控制两相比例调控正热膨胀和负热膨胀，得到宽温区的高强度低膨胀复合材料材料。
所述制备方法包括如下步骤：
S1：准备R2Fe14B型金属间化合物原料和α-Fe相原料，优选的，原料的纯度均>99.5％，R2Fe14B相为四方晶系，空间群为P42/mnm，α-Fe相为立方晶系，空间群为Im-3m；
S2：将步骤S1中两种原料混合；
S3：通过电弧炉将混合后的原料熔炼均匀；
S4：将熔炼均匀的样品置于保护气氛下，900℃退火至少24h；保护气氛为真空或惰性气体；
S5：退火结束后，即获得高强度低膨胀复合材料。
本发明所述制备方法中所述R2Fe14型金属间化合物为基体相，所述α-Fe相为塑性第二相，通过引入塑性第二相改善基体相的力学行为，通过两相的协同作用，有效的抑制了金属间化合物的本征脆性，实现了力学性能的极大提升。
实施例1
制备本发明所述成分为Er2Fe18B的高强度低膨胀复合材料块体采用电弧炉熔炼法合成，具体操作按下列步骤进行：
S1：准备Er2Fe18B所需的原料，并按化学计量比称取，优选的，原料的纯度均>99.5％，Er2Fe14B相为四方晶系，空间群为P42/mnm，α-Fe相为立方晶系，空间群为Im-3m；
S2：将步骤S1中两种原料混合；
S3：通过电弧炉将混合后的原料熔炼均匀；
S4：将熔炼均匀的样品置于保护气氛下，900℃退火至少24h；保护气氛为真空或惰性气体；
S5：退火结束后，即获得高强度低膨胀复合材料。
实施例2
制备本发明所述成分为Ho2Fe18B的高强度低膨胀复合材料块体采用电弧炉熔炼法合成，具体操作按下列步骤进行：
S1：准备Ho2Fe18B所需的原料，并按化学计量比称取，优选的，原料的纯度均>99.5％，Ho2Fe14B相为四方晶系，空间群为P42/mnm，α-Fe相为立方晶系，空间群为Im-3m；
S2：将步骤S1中两种原料混合；
S3：通过电弧炉将混合后的原料熔炼均匀；
S4：将熔炼均匀的样品置于保护气氛下，900℃退火至少24h；保护气氛为真空或惰性气体；
S5：退火结束后，即获得高强度低膨胀复合材料。
实施例3
制备本发明所述成分为Tb2Fe16.8B的高强度低膨胀复合材料块体采用电弧炉熔炼法合成，具体操作按下列步骤进行：
S1：准备Tb2Fe16.8B所需的原料，并按化学计量比称取，优选的，原料的纯度均>99.5％，Tb2Fe14B相为四方晶系，空间群为P42/mnm，α-Fe相为立方晶系，空间群为Im-3m；
S2：将步骤S1中两种原料混合；
S3：通过电弧炉将混合后的原料熔炼均匀；
S4：将熔炼均匀的样品置于保护气氛下，900℃退火至少24h；保护气氛为真空或惰性气体；
S5：退火结束后，即获得高强度低膨胀复合材料。
对实施例1、2、3所得到的高强度低膨胀复合材料Er2Fe18B、Ho2Fe18B、Tb2Fe16.8B测量线膨胀，其分别在100～433K、100～462K、100～457K温度区间内表现出低膨胀特性，线膨胀系数(αl)分别为1.60×10-6、1.99×10-6和1.90×10-6。
对实施例1所得的高强度低膨胀复合材料Er2Fe18B进行电子探针微测试，其微结构和成分均匀，没有杂相。
对实施例1所得的高强度低膨胀复合材料Er2Fe18B进行工程应力应变测试，其压缩强度δs高达1112Mpa。
图1为本发明所述高强度低膨胀复合材料Er2Fe18B在300K下的粉末X射线衍射精修图谱。从该图可以看出本发明所述的高强度低膨胀复合材料为Er2Fe14B和α-Fe双相，且晶体结构模型正确。
图2为本发明所述高强度低膨胀复合材料Er2Fe18B的电子探针图，说明本发明所述的高强度低膨胀复合材料为Er2Fe14B双相均匀混合，没有成分偏析。
图3为本发明所述高强度低膨胀复合材料Er2Fe18B(图3中A)、Ho2Fe18B(图3中B)和Tb2Fe16.8B(图3中C)线膨胀图，从本发明所述Er2Fe18B、Ho2Fe18B和Tb2Fe16.8B的线膨胀曲线可知其分别在100～433K、100～462K和100～457K温度区间内表现出低膨胀特性。
图4为本发明所述高强度低膨胀复合材料Er2Fe18B在300K下的工程应力-应变曲线及加工的样品图，说明本发明所述的复合材料具有高强度的特征。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种高强度低膨胀复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法在R2Fe14B型金属间化合物中引入α-Fe相作为第二相，其中R为稀土元素，R2Fe14B表现为负热膨胀，α-Fe表现为正热膨胀，通过控制两相比例调控正热膨胀和负热膨胀，得到宽温区的高强度低膨胀复合材料；所述的高强度低膨胀复合材料的化学式为R2Fe14+xB，其中0＜X≤24。
2.如权利要求1所述的高强度低膨胀复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1：准备R2Fe14B型金属间化合物原料和α-Fe相原料；
S2：将步骤S1中两种原料混合；
S3：通过电弧炉将混合后的原料熔炼均匀；
S4：将熔炼均匀的样品置于保护气氛下退火；
S5：退火结束后，即获得高强度低膨胀复合材料。
3.如权利要求2所述的高强度低膨胀复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，R2Fe14B型金属间化合物原料和α-Fe原料的纯度均>99.5％。
4.如权利要求2所述的高强度低膨胀复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，R2Fe14B相为四方晶系，空间群为P42/mnm。
5.如权利要求2所述的高强度低膨胀复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，α-Fe相为立方晶系，空间群为Im-3m。
6.如权利要求2所述的高强度低膨胀复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4具体为：样品置于保护气氛下，900℃退火至少24h；保护气氛为真空或惰性气体。
7.如权利要求1-6任一项所述的高强度低膨胀复合材料的制备方法，其特征在于，所述R2Fe14B型金属间化合物为基体相，所述α-Fe相为塑性第二相，通过引入塑性第二相以改善基体相的力学行为，通过两相的协同作用，抑制金属间化合物的本征脆性。
8.一种高强度低膨胀复合材料，其特征在于，使用如权利要求1-7任一项所述的制备方法得到。
9.如权利要求8所述的高强度低膨胀复合材料，其特征在于，所述的高强度低膨胀复合材料的化学式为R2Fe14+xB，其中0＜X≤24，R为稀土元素。
10.如权利要求8所述的高强度低膨胀复合材料，其特征在于，所述高强度低膨胀复合材料中包括Er2Fe18B，所述Er2Fe18B在100～433K温度区间内表现低膨胀特性，线膨胀系数αl为1.60×10-6。
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