CN113699417A - 一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料及其制备方法。制法为：将K2FeO4、Al、石墨进行干法球磨，用去离子水洗涤，过滤，干燥，得到Al2O3/Fe3O4锚定石墨烯复合粉体，记为Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；烘干后的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理，然后研磨；将Al粉单独进行球磨，再与Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体再次球磨，混匀；将混合粉末进行冷压；放入管式炉内真空烧结，得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料。本发明使Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强体均匀分散在铝基体中，极大地提高了铝基复合材料的物理及力学性能。

Description

一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料及其制备方法，属于铝基复合材料改性及其制备领域。
背景技术
近几年，由于铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、较低的热膨胀系数等优异的力学性能和物理性能，在工业领域、汽车领域、航空航天领域发挥着不可替代的作用，对铝基复合材料的依赖性也越来越强。随着对铝基复合材料广泛而深入的研究，探索出多种增强铝基复合材料的加工工艺，采用增强体与铝及铝合金的有效结合来提升铝基复合材料的性能是常见的一种加工工艺。而陶瓷颗粒、碳化物、氮化物等颗粒物是应用较多的增强体。这些增强体作为单一增强体制备铝基复合材料时，能够一定程度上增强了铝基复合材料的性能，体现出较好的增强效果。但是，由于增强体较高表面活性，在制备过程中，容易在基体内发生团聚，降低其塑性、韧性，不利于大范围推广。
通过文献检索发现，申请号为201611039871.X（公开号为CN 108085524 A）的中国专利申请介绍了一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，通过两步球磨法制备石墨烯/铝混合粉体、冷压成型石墨烯/铝复合材料料坯、热挤压成型等步骤制备得到石墨烯/铝复合材料。这种通过简单球磨的方式并不能很好是实现石墨烯在铝基体中的分散，一定程度上会造成石墨烯的团聚，使石墨烯与铝的界面结合变差，降低基体的塑性。
目前，人们开始关注并研究混杂增强铝基复合材料的性能及制备方法，对于加入两种以上的增强体混杂增强铝基复合材料的研究不断升入，但大多停留在将两种或两种增强体进行简单的混合来提高了铝基复合材料的性能，对于混杂增强机理，还需深入研究。
通过文献检索发现，申请号为2017106369511（公开号为CN 107460376A）的中国专利申请介绍了一种混杂增强铝基复合材料及其制备方法，在真空或氩气保护下，将纳米SiC粉、其他一种或多种纳米颗粒、微米级的铝或铝合金粉混合制备出毫米级复合颗粒并将其压成预制中间合金块，再添加到铝或铝合金熔体中，制备纳米陶瓷颗粒混杂增强铝基复合材料。虽然提高了铝基复合材料的性能，但忽略增强体之间的相互作用及团聚的影响，同样会对铝基的性能造成不利影响。随着铝基复合材料的应用领域范围的不断扩大，对铝基复合材料的性能提出了更高的要求。
发明内容
本发明在现有增强铝基复合材料的制备加工基础上，旨在提供一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料及其制备方法，通过基体的改性，进一步提高它的比强度、比刚度、抗冲击性等。
本发明是针对现有不足来改进铝基复合材料的制备方法，解决了增强体与铝基体界面结合的问题。相对于纯铝，目前利用增强体进行增强铝基复合材料的制备方法的性能有所提高，但大多数增强方式是通过向基体添加单一或者简单混合两种或两种以上的增强体的方式去增强基体的性能，而对于通过混杂增强体之间的相互作用去增强基体的研究较少。本发明基于以往研究的基础上发现Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料可以更大程度的提高基体比强度、比刚度、抗冲击性等物理性能和力学性能，且制备工艺简单，成本低廉，易于推广。
本发明提供了一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，具体实验步骤如下：
第一步：将磨球与K2FeO4、Al、石墨放入球磨罐中进行干法球磨，质量比为K2FeO4：Al：石墨=（3.5~4.3）：（4.6~5.5）：（0.8~1.3）；
磨球为锆球，转速为200~300r/min，球磨时间为8~12h；
第二步：球磨结束后，所得复合粉末用去离子水洗涤3~5次，过滤，在100~200℃真空干燥2~4h，得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；
第三步：将烘干后的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理，温度为400~500℃，保温3~6h，得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；
第四步：将第三步得到的复合粉体进行研磨细化，研磨时间为3~5h；
第五步：将Al粉单独进行球磨4~6h，并用200目细筛去掉较大颗粒，得到细化的Al粉颗粒；
第六步：将第五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的复合粉体进行干法球磨，Al2O3/Fe3O4@GNS质量分数为0.5~1%，其余为Al粉。球料比为10:1，球磨时间为8~10h；
第七步：球磨结束后，将混合粉末进行冷压，压强为650~700MPa，保压时间为0.5~1h，得到厚度为2.5mm、直径为1.5cm的压缩试样；
第八步：将第七步得到的压缩试样放入管式炉内，进行抽真空，压强为0.1~0.4Pa，烧结，烧结温度为600~620℃，加热与冷却速率（这是指烧结过程中刚开始升温的速率和烧结完成后降温的速率）均为10℃/min。最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料；
第九步：将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形降温时效处理，即是在约束变形的同时进行时效，压力为100~200MPa，温度为150~200℃，时间为20~40h，降温速率为0.03~0.05℃/min。
本发明第一要保证K2FeO4、Al、石墨的比例适中，Al粉相对于K2FeO4要过量，使K2FeO4充分被还原。石墨的比例最小，因为要利用K2FeO4的强氧化性和高能球磨，使反应生成的Al2O3/Fe3O4锚定在石墨上，增加磨球与石墨的剪切力剥离出石墨烯；第二要将球磨得到的复合粉体对此洗涤，以去除复合粉体中钾离子，防治杂质对铝基的影响；第三要保证干燥后的复合粉体要研磨充分，以及二次球磨时间充分，由于Al2O3/Fe3O4锚定在石墨烯片层，进一步阻止了石墨烯团聚的同时也有效分散了Al2O3/Fe3O4，从而使Al2O3/Fe3O4@GNS均匀分散于铝基体中；第四在冷压的过程中，要保持压强与保压过程一致，以免出现微裂纹。
本发明的有益效果：
本发明的优点在于利用K2FeO4的强氧化性与高能球磨，使之与铝粉发生氧化还原反应，生成的Al2O3/Fe3O4锚定在石墨表层，增加了磨球与石墨表面的剪切摩擦力，剥离出Al2O3/Fe3O4锚定的石墨烯；通过Al2O3/Fe3O4、石墨烯之间的相互作用，使Al2O3/Fe3O4@GNS在与Al粉进行二次球磨过程中，避免了混杂增强体的团聚；而Al2O3/Fe3O4@GNS在Al基中的有效分散，通过后续的制备过程，极大提高了铝基复合材料的物理力学性能，得出了Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法；并且该制备方法采用粉末冶金，工艺简单，成本低廉，制备材料的性能满足当前生产生活的需要，利于大面积应用。
附图说明
图1为实施例1所得材料的显微组织结构图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
本发明的混杂增强铝基复合材料的制备方法通过以下方法来制备。第一步：将磨球与K2FeO4、Al、石墨放入聚氨酯中进行干法球磨，质量比为K2FeO4：Al：石墨=4:5:1，磨球为锆球，转速为220r/min，球磨时间为8h；第二步：球磨结束后，所得复合粉末用去离子水洗涤5次，过滤，在120℃真空干燥2h，得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；第三步：将烘干后的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理，温度为450℃，保温3.5h，得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；第四步：将第三步得到的复合粉体进行研磨细化，研磨时间为5h；第五步：将Al粉单独进行球磨4.8h，并用200目细筛去掉较大颗粒，得到细化的Al粉颗粒；第六步：将第五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的复合粉体进行干法球磨，Al2O3/Fe3O4@GNS质量分数为0.5%，其余为Al粉。球料比为10:1，球磨时间为10h；第七步：球磨结束后，将混合粉末进行冷压，压强为650MPa，保压时间为0.8h，得到厚度为2.5mm，直径为1.5cm的压缩试样；第八步：将第七步得到的压缩试样放入管式炉内，进行抽真空，压强为0.2Pa，烧结，烧结温度为600℃，加热与冷却速率均为10℃/min。最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料；第九步：将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形降温时效处理，即是在约束变形的同时进行时效，压力为200MPa，温度为180℃，时间为40h，降温速率为0.03℃/min。所得材料的硬度值为 93.65 HV，提高了11.96%。
实施例2
本发明的混杂增强铝基复合材料的制备方法通过以下方法来制备。第一步：将磨球与K2FeO4、Al、石墨放入聚氨酯中进行干法球磨，质量比为K2FeO4：Al：石墨=3.6:5:1.3，磨球为锆球，转速为260r/min，球磨时间为9h；第二步：球磨结束后，所得复合粉末用去离子水洗涤3次，过滤，在180℃真空干燥3h，得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；第三步：将烘干后的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理，温度为490℃，保温5.5h，得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；第四步：将第三步得到的复合粉体进行研磨细化，研磨时间为4h；第五步：将Al粉单独进行球磨5.8h，并用200目细筛去掉较大颗粒，得到细化的Al粉颗粒；第六步：将第五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的复合粉体进行干法球磨，Al2O3/Fe3O4@GNS质量分数为0.7%，其余为Al粉。球料比为10:1，球磨时间为8h；第七步：球磨结束后，将混合粉末进行冷压，压强为660MPa，保压时间为0.9h，得到厚度为2.5mm，直径为1.5cm的压缩试样；第八步：将第七步得到的压缩试样放入管式炉内，进行抽真空，压强为0.4Pa，烧结，烧结温度为610℃，加热与冷却速率均为10℃/min。最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料；第九步：将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形降温时效处理，即是在约束变形的同时进行时效，压力为170MPa，温度为200℃，时间为30h，降温速率为0.04℃/min。所得材料的硬度值为 94.22 HV，提高了12.69%。
实施例3
本发明的混杂增强铝基复合材料的制备方法通过以下方法来制备。第一步：将磨球与K2FeO4、Al、石墨放入聚氨酯中进行干法球磨，质量比为K2FeO4：Al：石墨=3.9:5.5:0.8，磨球为锆球，转速为290r/min，球磨时间为11h；第二步：球磨结束后，所得复合粉末用去离子水洗涤4次，过滤，在170℃真空干燥2.5h，得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；第三步：将烘干后的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理，温度为410℃，保温3.5h，得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；第四步：将第三步得到的复合粉体进行研磨细化，研磨时间为4.5h；第五步：将Al粉单独进行球磨5.9h，并用200目细筛去掉较大颗粒，得到细化的Al粉颗粒；第六步：将第五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的复合粉体进行干法球磨，Al2O3/Fe3O4@GNS质量分数为0.9%，其余为Al粉。球料比为10:1，球磨时间为8.8h；第七步：球磨结束后，将混合粉末进行冷压，压强为690MPa，保压时间为0.5h，得到厚度为2.5mm，直径为1.5cm的压缩试样；第八步：将第七步得到的压缩试样放入管式炉内，进行抽真空，压强为0.1Pa，烧结，烧结温度为600℃，加热与冷却速率均为10℃/min。最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料；第九步：将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形降温时效处理，即是在约束变形的同时进行时效，压力为130MPa，温度为185℃，时间为35h，降温速率为0.05℃/min。所得材料的硬度值为 95.18 HV，提高了13.84%。

Claims (10)

1.一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：将K2FeO4、Al、石墨进行干法球磨；
第二步：球磨结束后，所得复合粉末用去离子水洗涤，过滤，干燥，得到Al2O3/Fe3O4锚定石墨烯复合粉体，记为Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；
第三步：将烘干后的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理，得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体；
第四步：将第三步得到的复合粉体进行研磨细化；
第五步：将Al粉单独进行球磨，得到细化的Al粉颗粒；
第六步：将Al粉颗粒与Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体按比例再次球磨，使其混合均匀；
第七步：球磨结束后，将混合粉末进行冷压得到压缩试样；
第八步：放入管式炉内进行真空烧结，最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：
第一步中，将磨球与K2FeO4、Al、石墨放入球磨罐中进行干法球磨，质量比为K2FeO4：Al：石墨=（3.5~4.3）：（4.6~5.5）：（0.8~1.3）；磨球为锆球，转速为200~300r/min，球磨时间为8~12h。
3.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第二步中，球磨结束后，所得复合粉末用去离子水洗涤3~5次，过滤，在100~200℃真空干燥2~4h，得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体。
4.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第三步中，退火处理的温度为400~500℃，保温3~6h，得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体。
5.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第四步中研磨时间为3~5h。
6.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第五步中将Al粉单独进行球磨4~6h，并用200目细筛去掉较大颗粒，得到细化的Al粉颗粒。
7.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第六步中，将第五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行干法球磨，Al2O3/Fe3O4@GNS质量分数为0.5~1%，其余为Al粉；球料比为10:1，球磨时间为8~10h。
8.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第七步中，冷压的压强为650~700MPa，保压时间为0.5~1h，得到厚度为2.5mm、直径为1.5cm的压缩试样。
9.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第八步中，将第七步得到的压缩试样放入管式炉内，进行抽真空，压强为0.1~0.4Pa，烧结，烧结温度为600~620℃，加热与冷却速率均为10℃/min；最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料。
10.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形降温时效处理，即是在约束变形的同时进行时效，压力为100~200MPa，温度为150~200℃，时间为20~40h，降温速率为0.03~0.05℃/min。
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