CN113355563B - 铝-氮化硼纳米片层状复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝‑氮化硼纳米片层状复合材料，包括铝和氮化硼纳米片（BNNSs），所述BNNSs均匀分布在不同粒径Al颗粒表面，其中，Al颗粒呈片层状，BNNSs为增强相，BNNSs尺寸为300600‑700700nm2，厚度为5‑100nm；其制备方法为：将铝和氮化硼纳米片（BNNSs）复合粉末冷压成复合块体，对复合块体进行SPS烧结即可得到纳米片层状复合材料；该复合材料热胀系数小、力学性能高、生产工艺过程短、生产成本较低。

Description

铝-氮化硼纳米片层状复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种片层状复合材料及其制备方法。

背景技术

铝基复合材料是以铝或者铝合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料，具有比强度和比刚度高、高温性能好、耐疲劳等一系列突出性能优点。作为基体的铝资源丰富、成本较低。近年来铝基复合材料已广泛应用于汽车发动机活塞、齿轮箱以及精密仪器的制造，减轻结构件的重量的同时，提升了其性能和可靠性。国家知识产权局公开了一种铝-氮化硼纳米片复合涂层（CN112376042A），包括铝和氮化硼纳米片(BNNSs)；所述BNNSs均匀分布在Al沉积体内，其中，Al颗粒呈片层状，BNNSs为增强相，BNNSs尺寸为300×600～700×700nm2，厚度为5～100nm。国家知识产权局还公开了一种氮化硼纳米片增强的铝基复合材料制备方法（CN110551908A），包括如下步骤：(1)原料为铝粉与氮化硼纳米片，按铝粉与氮化硼纳米片质量比(96-99):(1-4)的比例，将铝粉与氮化硼纳米片装入球磨罐中，在惰性气体氛围下，通过球磨使铝粉与氮化硼纳米片混合均匀。(2)将球磨后的粉末装入磨具，冷压成型；(3)将冷压块体进行半固态烧结，烧结温度为600-750℃，烧结时间为1-3小时；(4)将半固态烧结后的块体置于挤压装置进行挤压，得到原位生成的均匀连续浸润层的铝基复合材料。

但在实际应用中，铝基复合材料存在诸多亟需解决的科学和技术难点：（1）力学性能存在强韧性倒置关系。增强相提高了复合材料的屈服强度的同时却降低了复合材料拉伸塑/韧性。（2）界面反应等控制难。复合材料制备一般都需要在高温下进行，而高温下界面容易发生对性能不利的化学反应，有时也会发生氧化生成有害的反应产物。（3）成分分布调控难。增强相与基体在物理性质上、尺寸上都有着较大的差异，使其按照强度设计的要求进行分布较为困难。（4）制备周期长、成本高。

目前新能源汽车涡旋盘使用的4032铝合金，存在着热膨胀系数偏高、断裂伸长率偏低和耐热性不足等缺点。因此，迫切需要围绕新能源汽车涡旋盘用铝基复合材料开展创新工作。

发明内容

本发明的内容主要是围绕新能源汽车空调涡旋盘用新型高性能铝基复合材料的研发开展工作，针对当前涡旋盘材料存在的诸多问题，研发强度高、韧性好、热膨胀系数低的铝基复合材料，提升其综合性能，降低其制造成本，从而获得高性能的涡轮盘材料。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种铝-氮化硼纳米片层状复合材料，包括铝和氮化硼纳米片（BNNSs），其特征在于：所述BNNSs均匀分布在不同粒径Al颗粒表面，其中，Al颗粒呈片层状，BNNSs为增强相，BNNSs尺寸为300600-700700nm²，厚度为5-100nm。

所述BNNSs体积占比0.2%-4%。

氮化硼纳米片（BNNSs）为二维片状。

其通过SPS烧结方式获得。

其制备方法为：将铝和氮化硼纳米片（BNNSs）复合粉末冷压成复合块体，对复合块体进行SPS烧结即可得到纳米片层状复合材料，具体包括以下步骤：

步骤一：将六方氮化硼（h-BN）高能球磨后超声分散，制备BNNSs；

步骤二：将BNNSs与铝粉混合，通过球磨复合粉末制备出BNNSs/ Al复合粉末；

步骤三：以BNNSs/Al复合粉末为原料，采用冷压、SPS烧结制备纳米片层状复合材料；

步骤四：对烧结后的复合材料进行锻造成型，最后形成层状构型复合材料。

所述的步骤二：可在BNNSs/Al复合粉末内加入不锈钢球球磨混匀，采用变速球磨制备BNNSs/ Al复合粉末。

所述的步骤一：将h-BN粉末置于球磨罐中，每只球磨罐中放置100ml酒精与10g h-BN，球料比20:1，大中小研磨球的重量比例分别为5:3:2，研磨球的直径分别为15mm，10mm，5mm，球磨罐与研磨球的材质均为不锈钢；球磨气氛为Ar气；球磨转速设置为350r/min, 球磨总时间设置为80min，正反转结合，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min；球磨结束后，将球磨液取出进行超声分散，时间为2h；超声结束后取上层清液，放入真空干燥箱内抽真空进行干燥，干燥后的粉末即为BNNSs。

所述的步骤二：将制备的BNNSs与原始球形Al粉在球磨罐内进行混合，选用不同粒径的铝混合粉末（10-65μm），所用BNNSs的体积比例为2%，球料比为10:1；铝混合粉末与BNNSs进行变速球磨混合，即先单独加入BNNSs粉末100 rpm低速球磨10min，再加入Al粉末200 rpm高速球磨2h；单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2 min，得到BNNSs/Al复合粉末。

所述的步骤三：将BNNSs/ Al复合粉末进行冷压，使片层状复合粉末在单轴应力状态下定向排列，得到有序的初期复合块体；将初期复合块体放入H13钢制成的模具中，冷压压力为500 MPa，保压时间为5min，得到圆柱状复合块体；将圆柱状复合块体放入电阻炉中进行真空热压，得到较为致密的复合材料。

所述的步骤四：将采用冷压、SPS烧结制备后的纳米片层状复合材料放置于马弗炉中加热5min后进行锻造成型，炉中温度500 ℃，最终得到层状构型复合材料。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果:

1. BNNSs极大地降低了复合材料的热胀系数：通过添加BNNSs降低复合材料的热膨胀系数，使复合材料在20-100℃的平均热膨胀系数≤19.4×10^-6k，从而降低涡轮盘在工作工程中的形变，提升其可靠性。

2. 极大的提高了复合材料的力学性能：由于BNNSs/ Al的片层状构型所带来的强韧化机制，制备的复合材料室温状态下屈服强度≥315MPa、断裂抗拉强度≥380MPa、伸长率≥9.0%，得到高性能的复合材料。

3. 低成本短流程实现复合：采用目前已经成熟的烧结工艺技术结合热锻造技术，工艺过程较短，可实现近净成形，易于规模化生产且生产成本较低。

附图说明

图1为本发明的复合材料示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明中BNNSs的制备示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明中铝-氮化硼纳米片层状复合材料应用在新能源汽车涡轮盘上。

实施例一：

参见图1、2和3所示，一种铝-氮化硼纳米片层状复合材料，包括铝和氮化硼纳米片（BNNSs）；所述BNNSs均匀分布在Al颗粒表面，其中，Al颗粒呈片层状，BNNSs为增强相，BNNSs尺寸为300600-700700 nm²，厚度为5-100nm；所述BNNSs体积占比0.2%-4%；氮化硼纳米片（BNNSs）为二维片状。其制备方法，以Al-BNNSs复合粉末为原料，通过冷压、SPS烧结，即可得到Al-BNNSs复合材料，具体包括以下步骤：

步骤一：将六方氮化硼（h-BN）进行高能球磨后再超声分散，制备出BNNSs；

步骤二：将BNNSs与Al粉混合，变速球磨制备出BNNSs/ Al复合粉末，Al颗粒粒径为10-65μm；

步骤三：以BNNSs/Al复合粉末为原料，采用冷压、SPS烧结相结合的方法，最终得到复合材料；

步骤四：将烧结后的复合材料置于马弗炉中进行锻造成型，最后形成层状构型BNNSs/ Al复合材料。

实施例二：

参见图1、2和3所示，一种铝-氮化硼纳米片层状复合材料，包括铝和氮化硼纳米片（BNNSs）；所述BNNSs均匀分布在Al颗粒表面，其中，Al颗粒呈片层状，BNNSs为增强相，BNNSs尺寸为300600-700700 nm²，厚度为5-100nm；所述BNNSs体积占比0.2%-4%；氮化硼纳米片（BNNSs）为二维片状。其制备方法具体包括以下步骤：

步骤一：将h-BN粉末置于球磨罐中，每只球磨罐中放置100ml酒精与10g h-BN，球料比20:1，大中小研磨球的重量比例分别为5:3:2，研磨球的直径分别为15mm，10mm，5mm，球磨罐与研磨球的材质均为不锈钢；球磨气氛为Ar气；球磨转速设置为350r/min, 球磨总时间设置为80min，正反转结合，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min；球磨结束后，将球磨液取出进行超声分散，时间为2h；超声结束后取上层清液，放入真空干燥箱内抽真空进行干燥，得到BNNSs；

步骤二：将制备的BNNSs与原始球形Al粉在球磨罐内进行混合，选用不同粒径的铝混合粉末（10-65μm），所用BNNSs的体积比例为2%，球料比为10:1；铝混合粉末与BNNSs进行变速球磨混合，即先单独加入BNNs粉末100 rpm低速球磨10min，再加入Al粉末200 rpm高速球磨2h；单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2 min，得到复合粉末；利用变速球磨的方法可在片层状铝表面包覆BNNSs，通过改变BNNSs含量和铝颗粒的粒径等，得到增强相层状结构的Al基复合材料；

步骤三：将复合粉末进行冷压，使片层状复合粉末在单轴应力状态下定向排列，得到有序的初期复合材料块体；将初期复合块体放入H13钢制成的模具中，冷压压力为500MPa，保压时间为5min，得到圆柱状复合块体；将圆柱状复合块体放入电阻炉中进行真空热压，得到较为致密的复合材料；

步骤四：将致密的复合材料圆柱体放置于马弗炉中加热5min后进行锻造成型，炉中温度500 ℃，最终得到BNNSs/ Al层状构型复合材料。通过调整烧结和锻压工艺，可以调控复合材料界面反应的程度，继而改变原位生成相的种类和含量，最终实现对本复合材料宏观性能的调控，也为研究增强相形态、基体组织对复合材料的性能的影响规律奠定基础。

实施例只是为了便于理解本发明的技术方案，并不构成对本发明保护范围的限制，凡是未脱离本发明技术方案的内容或依据本发明的技术实质对以上方案所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种铝-氮化硼纳米片层状复合材料，包括铝和氮化硼纳米片（BNNSs），所述BNNSs均匀分布在不同粒径Al颗粒表面，其中，Al颗粒呈片层状，BNNSs为增强相，所述的铝-氮化硼纳米片层状复合材料通过将铝和氮化硼纳米片（BNNSs）复合粉末冷压成复合块体，对复合块体进行SPS烧结即可得到纳米片层状复合材料，具体包括以下步骤：：

步骤一：将六方氮化硼（h-BN）高能球磨后超声分散，制备BNNSs；

步骤二：将制备的BNNSs与原始球形Al粉在球磨罐内进行混合，选用粒径在10-65μm的不同粒径的铝混合粉末，所用BNNSs的体积比例为2%，球料比为10:1；铝混合粉末与BNNSs进行变速球磨混合，即先单独加入BNNSs粉末100 rpm低速球磨10min，再加入Al粉末200 rpm高速球磨2h；单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2 min，得到BNNSs/ Al复合粉末；

步骤三：以BNNSs/Al复合粉末为原料，采用冷压、SPS烧结制备纳米片层状复合材料；具体为，将BNNSs/ Al复合粉末进行冷压，使片层状复合粉末在单轴应力状态下定向排列，得到有序的初期复合块体；将初期复合块体放入H13钢制成的模具中，冷压压力为500 MPa，保压时间为5min，得到圆柱状复合块体；将圆柱状复合块体放入电阻炉中进行真空热压，得到较为致密的复合材料；

步骤四：将采用冷压、SPS烧结制备后的纳米片层状复合材料放置于马弗炉中加热5min后进行锻造成型，炉中温度500 ℃，最终得到层状构型复合材料；制得的BNNSs尺寸为300*600-700*700nm²，厚度为5-100nm。

2.根据权利要求1所述的铝-氮化硼纳米片层状复合材料，其特征在于：

所述的步骤一：将h-BN粉末置于球磨罐中，每只球磨罐中放置100ml酒精与10g h-BN，球料比20:1，大中小研磨球的重量比例分别为5:3:2，研磨球的直径分别为15mm，10mm，5mm，球磨罐与研磨球的材质均为不锈钢；球磨气氛为Ar气；球磨转速设置为350r/min, 球磨总时间设置为80min，正反转结合，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min；球磨结束后，将球磨液取出进行超声分散，时间为2h；超声结束后取上层清液，放入真空干燥箱内抽真空进行干燥，干燥后的粉末即为BNNSs。

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