CN112853183A - 一种高导热颗粒增强镁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导热颗粒增强镁基复合材料及其制备方法。本发明的高导热颗粒增强镁基复合材料为镁合金基体和增强颗粒的复合材料；所述增强颗粒均匀分布于所述镁合金基体中，并与所述镁合金基体形成良好的界面结合。该镁基复合材料在镁合金基体上引入增强颗粒，从而在保证复合材料轻质化的情况下，有效提高复合材料的导热率和力学性能。本发明的制备方法将镁合金基体的原料熔炼后，再与增强颗粒混合，最后经压铸成型，制备得到增强颗粒与镁合金基体混合分散均匀、界面结合良好的复合材料。

Description

一种高导热颗粒增强镁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金材料技术领域，具体涉及一种高导热颗粒增强镁基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着电子产品和通讯技术的发展，为实现产品的多功能性和实用性，产品的集成化程度和重量逐渐增加，但同时也出现了产品的散热性能不足、实用性较差等问题。
镁合金因其密度小，比强度高，散热性能好等特点在3C产品中得到了广泛的应用，其比重是铝的2/3、铁的1/4，实现了产品的轻量化，但是仍然无法满足目前电子通信产品对导热性能和综合力学性能的要求，其常用的AZ91D的导热系数仅仅为50～60W(m·K)。
目前3C产品对高导热镁合金有着迫切的需求，5G时代大量的数据传输，使产品的温度陡升，严重降低了产品的使用寿命，另外轻量化也是实现产品大量应用的重要条件。
因此，研发一种具有高导热、优异的力学性能以及重量轻的镁合金材料成为了亟待解决的问题。
发明内容
为满足3C产品对高导热镁合金的迫切需求，解决现有的镁合金材料无法满足3C产品对导热性能和综合力学性能的要求问题，本发明提供了一种高导热颗粒增强镁基复合材料。
本发明还提供了制备上述的高导热颗粒增强镁基复合材料的方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种高导热颗粒增强镁基复合材料，为镁合金基体和增强颗粒的复合材料；所述增强颗粒均匀分布于所述镁合金基体中，并与所述镁合金基体形成良好的界面结合；
所述镁合金基体与所述增强颗粒的质量比为100:(1～30)。
在优选的实施例中，所述的高导热颗粒增强镁基复合材料中，所述镁合金基体与所述增强颗粒的质量比为100:(1～20)。
在优选的实施例中，按重量百分比计，所述镁合金基体包括如下组分：
铝(Al)1.0～5.0％，稀土元素(Re)1～5％，硅(Si)0.1～1.0％，钙(Ca)0.1～1.0％，锰(Mn)0.01～0.5％，其他合金元素不超过0.05％，其余为镁(Mg)。
在更优选的实施例中，所述Re为铈(Ce)和镧(La)中的一种以上。
在优选的实施例中，所述镁合金基体的导热系数≥115W/(m·K)。
在优选的实施例中，所述增强颗粒为SiC、石墨、金刚石、B4C和C3Al4中的任意一种。
在更优选的实施例中，所述SiC的平均粒径为5～50μm，导热系数≥290W/(m·K)。
在更优选的实施例中，所述金刚石的平均粒径为4～30μm，导热系数≥2000W/(m·K)。
制备上述任一项所述的高导热颗粒增强镁基复合材料的方法，步骤如下：
S1、配料及熔炼：
按所述质量百分比配取所述镁合金基体的原料以及所述增强颗粒；
将所述镁合金基体的原料加到已经预热好的铁坩埚中，在温度680～700℃下进行熔炼，得到镁合金熔液；对所述增强颗粒进行预处理、清洗，加热烘干；
S2、浆料制备：
对S1所得的镁合金熔液进行搅拌的同时，将所述增强颗粒加入镁合金熔液中，制备成温度为580～610℃的高导热颗粒增强镁基半固态浆料；
S3、压铸成型：
将S2所得的高导热颗粒增强镁基浆料压铸成型，得到所述的高导热颗粒增强镁基复合材料。
在优选的实施例中，S1中，所述预处理、清洗是将所述增强颗粒放入5wt％HF中浸泡24小时，之后用蒸馏水洗涤，并反复洗涤直至上层清液的pH值达到7。
在优选的实施例中，S1中，所述加热烘干是在90℃烘干。
在优选的实施例中，S2中，所述搅拌包括机械搅拌和超声波振动搅拌。
在更优选的实施例中，所述机械搅拌的搅拌速度为80～100转/分钟，搅拌时间为20～30s。
在更优选的实施例中，所述的超声波振动搅拌的振动频率为20～30赫兹，振动时间为10～15s。
在优选的实施例中，S3中，所述压铸的温度为250～300℃，压射速度为1.5～3m/s，压射比压为50～90MPa，增压比压为80～120Mpa，保压时间为5～10s。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明的高导热颗粒增强镁基复合材料，在镁合金基体上引入增强颗粒，增强颗粒均匀分散在镁合金基体内，并与镁合金基体形成良好的界面结合，从而在保证复合材料轻质化的情况下，有效提高复合材料的导热率和力学性能。其中，导热系数达到127W(m·K)以上，远高于常规镁合金的导热系数50～60W(m·K)；而抗拉强度达到253MPa以上，以及屈服强度达到159MPa以上。
本发明的制备方法将镁合金基体的原料熔炼后，再与增强颗粒混合，最后经压铸成型，制备得到增强颗粒与镁合金基体混合分散均匀、界面结合良好的镁基复合材料，且效率高、成本低、绿色环保，易于工业化生产。
附图说明
图1a、图1b、图1c和图1d为实施例7制备的高导热SiC增强镁基复合材料分别在不同放大倍数下的金相图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
并且，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明的高导热颗粒增强镁基复合材料，为镁合金基体和增强颗粒的复合材料；所述增强颗粒均匀分布于所述镁合金基体中，并与所述镁合金基体形成良好的界面结合。其中，所述镁合金基体与所述增强颗粒的质量比为100:(1～30)。
在优选的实施例中，所述镁合金基体与所述增强颗粒的质量比为100:(1～20)。
在优选的实施例中，所述镁合金基体的导热系数≥115W/(m·K)；且按重量百分比计，所述镁合金基体包括如下组分：Al 1.0～5.0％，Re 1～5％，Si 0.1～1.0％，Ca 0.1～1.0％，Mn 0.01～0.5％，其他合金元素不超过0.05％，其余为Mg。
在具体优选的实施例中，所述Re为Ce和La中的一种以上。
在优选的实施例中，所述增强颗粒为SiC、石墨、金刚石、B4C和C3Al4中的任意一种。
在具体优选的实施例中，所述SiC的平均粒径为5～50μm，导热系数≥290W/(m·K)。
在具体优选的实施例中，所述金刚石的平均粒径为4～30μm，导热系数≥2000W/(m·K)。
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作详细的描述说明。
实施例1～8
实施例1～8的高导热颗粒增强镁基复合材料，具体组分组成及相关原料参数如表1所示。
表1实施例1～8高导热颗粒增强镁基复合材料的组成
Figure BDA0002872841360000021
Figure BDA0002872841360000031
实施例1～8的高导热颗粒增强镁基复合材料均按照如下方法制备，步骤如下：
S1、配料及熔炼：
按所述质量百分比配取所述镁合金基体的原料以及所述增强颗粒；
将所述镁合金基体的原料加到已经预热好的铁坩埚中，在温度680～700℃下进行熔炼，得到镁合金熔液；将所述增强颗粒进行放入5wt％HF中浸泡24小时，之后用蒸馏水洗涤，反复洗涤数次直至上层清液的pH值达到7，最终90℃烘干。
S2、浆料制备：
对S1所得的镁合金熔液进行搅拌的同时，将所述增强颗粒加入镁合金熔液中，制备成温度为580～610℃的高导热颗粒增强镁基半固态浆料；其中，所述搅拌包括机械搅拌和超声波振动搅拌；所述机械搅拌的搅拌速度为80～100转/分钟，搅拌时间为20～30s；所述的超声波振动搅拌的振动频率为20～30赫兹，振动时间为10～15s；
S3、压铸成型：
将S2所得的高导热颗粒增强镁基浆料压铸成型，得到高导热颗粒增强镁基复合材料；其中，所述压铸的温度为250～300℃，压射速度为1.5～3m/s，压射比压为50～90MPa，增压比压为80～120Mpa，保压时间为5～10s。
具体实施操作中，实施例1～8的高导热颗粒增强镁基复合材料的制备条件如下表2所示。
表2实施例1～8的高导热颗粒增强镁基复合材料的制备条件
Figure BDA0002872841360000032
Figure BDA0002872841360000041
对制备的SiC增强镁基复合材料进行组织结构观察，如图1a～图1d所示，实施例7制备的SiC增强镁基复合材料中，SiC增强颗粒均匀分布于镁合金基体中，并与镁合金基体形成良好的界面结合，SiC完美融合在镁基材料中并对镁基材料的组织结构实现增强，从而使制备的复合材料具有更加优异的力学性能和导热性能。
实施例1～6和实施例8制备的SiC增强镁基复合材料的组织金相结构参见图1a～图1d所示，制备的SiC增强镁基复合材料中的SiC增强颗粒与镁合金基体形成良好的界面结合，有效提高了材料的力学性能和导热性能。
实施例1～8制备的高导热颗粒增强镁基复合材料的导热性能以及综合力学性能如表3所示。
表3实施例1～8的高导热颗粒增强镁基复合材料的导热性能以及综合力学性能
Figure BDA0002872841360000042
由表3的测试结果可知，实施例1～8的SiC增强镁基复合材料通过加入Al、La、Si、Ca和Mn等掺杂元素，镁基复合材料的力学性能和导热性能均得到了增强；而且，在进一步添加SiC颗粒后，SiC增强镁基复合材料的密度变化不大，在保证轻质化的前提下，SiC增强镁基复合材料的力学性能得到了增强，同时导热性能也进一步得到改善。
实施例9～16
实施例9～16的高导热颗粒增强镁基复合材料，具体组分组成及相关原料参数如表4所示。
表4实施例9～16的高导热颗粒增强镁基复合材料的组成
Figure BDA0002872841360000051
实施例9～16的高导热颗粒增强镁基复合材料均参照实施例1～8的制备方法进行制备，具体实施操作中，实施例9～16的高导热颗粒增强镁基复合材料的制备条件如下表5所示。
表5实施例9～16的高导热颗粒增强镁基复合材料的制备条件
Figure BDA0002872841360000052
Figure BDA0002872841360000061
对制备的金刚石增强镁基复合材料进行微观结构观察，实施例9～16制备的金刚石增强镁基复合材料的组织金相结构参见图1a～图1d所示，金刚石增强镁基复合材料中的金刚石增强颗粒与镁合金基体形成良好的界面结合，有效提高了材料的力学性能和导热性能。
实施例9～16制备的高导热颗粒增强镁基复合材料的导热性能以及综合力学性能如表6所示。
表6实施例9～16的高导热颗粒增强镁基复合材料的导热性能以及综合力学性能
Figure BDA0002872841360000062
由表6的测试结果可知，实施例9～16的金刚石增强镁基复合材料通过添加金刚石增强颗粒，由于金刚石的密度与镁合金接近，添加金刚石增强颗粒的金刚石增强镁基复合材料的密度基本无变化，在保证轻质化的前提下，金刚石增强镁基复合材料的强度得到提升，导热性能也得到了提高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，本说明书为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述。然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。而且，以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。
应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高导热颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，为镁合金基体和增强颗粒的复合材料；所述增强颗粒均匀分布于所述镁合金基体中，并与所述镁合金基体形成界面结合；
所述镁合金基体与所述增强颗粒的质量比为100:(1～30)。
2.根据权利要求1所述的一种高导热颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，所述镁合金基体与所述增强颗粒的质量比为100:(1～20)。
3.根据权利要求1或2所述的一种高导热颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，按重量百分比计，所述镁合金基体包括如下组分：
Al 1.0～5.0％，Re 1～5％，Si 0.1～1.0％，Ca 0.1～1.0％，Mn 0.01～0.5％，其他合金元素不超过0.05％，其余为Mg。
4.根据权利要求3所述的一种高导热颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，所述Re为Ce和La中的一种以上。
5.根据权利要求1或2所述的一种高导热颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，所述增强颗粒为SiC、石墨、金刚石、B4C和C3Al4中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的一种高导热颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，所述SiC的平均粒径为5～50μm，导热系数≥290W/(m·K)。
7.根据权利要求5所述的一种高导热颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，所述金刚石的平均粒径为4～30μm，导热系数≥2000W/(m·K)。
8.制备权利要求1～7任一项所述的高导热颗粒增强镁基复合材料的方法，其特征在于，步骤如下：
S1、配料及熔炼：
按所述质量百分比配取所述镁合金基体的原料以及所述增强颗粒；
将所述镁合金基体的原料加到已经预热好的铁坩埚中，在温度680～700℃下进行熔炼，得到镁合金熔液；将所述增强颗粒预处理、清洗，加热烘干；
S2、浆料制备：
对S1所得的镁合金熔液进行搅拌的同时，将所述增强颗粒加入镁合金熔液中，制备成温度为580～610℃的高导热颗粒增强镁基浆料；
S3、压铸成型：
将S2所得的高导热颗粒增强镁基浆料压铸成型，得到所述的高导热颗粒增强镁基复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述搅拌包括机械搅拌和超声波振动搅拌；
所述机械搅拌的搅拌速度为80～100转/分钟，搅拌时间为20～30s；所述的超声波振动搅拌的振动频率为20～30赫兹，振动时间为10～15s。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述压铸的温度为250～300℃，压射速度为1.5～3m/s，压射比压为50～90MPa，增压比压为80～120Mpa，保压时间为5～10s。
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