CN113773053B - 梯度多孔陶瓷预制体、铝合金增韧陶瓷复合材料及制备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度多孔陶瓷预制体、铝合金增韧陶瓷复合材料及制备。该梯度多孔陶瓷预制体包括依次设置的第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层；所述第一多孔陶瓷预制体层的气孔率、第二多孔陶瓷预制体层的气孔率、第三多孔陶瓷预制体层的气孔率、第四多孔陶瓷预制体层的气孔率和第五多孔陶瓷预制体层的气孔率依次增大。本发明的梯度多孔陶瓷预制体通过五层叠设的结构，具有良好的耐蚀性、高比模量、高比强度和高耐磨性，同时在高温环境下能表现出良好的性能，符合安全钳楔块的性能需求，在电梯安全钳楔块制造领域具有广阔的应用前景。

Description

梯度多孔陶瓷预制体、铝合金增韧陶瓷复合材料及制备
技术领域
本发明属于材料成型技术领域，具体涉及梯度多孔陶瓷预制体、铝合金增韧陶瓷复合材料及制备。
背景技术
电梯在现代生活中的应用日益普遍，伴随高层建筑的日益增多与高性能电梯研发的不断进步，电梯运行速度越来越快，目前世界上电梯最高运行速度为17m/s。然而，随着近期多起电梯事故的发生，电梯的安全可靠性受到的极大的关注。当电梯因故障意外下坠时，其速度超过限定值，导致限速器动作，在安全钳制动作用下电梯刹车，从而保障人身安全。安全钳对于保障电梯日常安全运行极为重要。然而，在高速、高载荷服役条件下，电梯安全钳制动块与导轨间的摩擦过程往往伴随着温度、压力的显著变化，这对安全钳制动块的综合力学性能、热学性能与摩擦磨损性能与各性能参数在服役过程中的稳定性提出了严苛的要求。若安全钳制动块的性能或服役稳定性不能满足设计服役要求，电梯则易出现制动失灵、骤停制动等安全事故隐患。传统的摩擦制动材料(灰铸铁)在摩擦热作用下往往出现过度磨损，摩擦系数下降，无法满足当代高性能电梯的安全性要求。
传统的钢铁材料生产的安全钳楔块在长期不工作条件下容易腐蚀，需要表面镀锌，同时和导轨之间的摩擦系数较低，需要表面增加滚花，给生产应用带来诸多不便。提供一种方便易得且可满足当代高性能电梯的安全性要求的电梯安全钳楔块材料，是解决上述问题的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供梯度多孔陶瓷预制体、铝合金增韧陶瓷复合材料及制备。本发明的梯度多孔陶瓷预制体和以此为基础的铝合金增韧陶瓷复合材料，通过五层叠设的结构，具有良好的耐蚀性、高比模量、高比强度和高耐磨性，同时在高温环境下能表现出良好的性能，符合安全钳楔块的性能需求，在电梯安全钳楔块制造领域具有广阔的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种梯度多孔陶瓷预制体，其特征在于，所述梯度多孔陶瓷预制体包括依次设置的第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层；
所述第一多孔陶瓷预制体层的气孔率、第二多孔陶瓷预制体层的气孔率、第三多孔陶瓷预制体层的气孔率、第四多孔陶瓷预制体层的气孔率和第五多孔陶瓷预制体层的气孔率依次增大。
上述的一种梯度多孔陶瓷预制体，其特征在于，所述第一多孔陶瓷预制体层的厚度、第二多孔陶瓷预制体层的厚度、第三多孔陶瓷预制体层的厚度、第四多孔陶瓷预制体层的厚度和第五多孔陶瓷预制体层的厚度均为10mm～20mm。
上述的一种梯度多孔陶瓷预制体，其特征在于，所述第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料均包括氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝；
所述第一多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为50％～56％、石墨烯的质量百分含量为34％～40％、氧化镥的质量百分含量为5％、氧化铝的质量百分含量为5％；
所述第二多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为51％～57％、石墨烯的质量百分含量为35％～41％，氧化镥的质量百分含量为4％、氧化铝的质量百分含量为4％；
所述第三多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为52％～58％、石墨烯的质量百分含量为36％～42％，氧化镥的质量百分含量为3％、氧化铝的质量百分含量为3％；
所述第四多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为53％～59％、石墨烯的质量百分含量为37％～43％，氧化镥的质量百分含量为2％、氧化铝的质量百分含量为2％；
所述第五多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为54％～60％、石墨烯的质量百分含量为38％～44％，氧化镥的质量百分含量为1％、氧化铝的质量百分含量为1％；
所述氧化硼的粒径D1满足10μm＜D1<20μm，B2O3含量﹥99％；
所述石墨烯的粒径D2满足5μm＜D2<10μm，石墨烯比表面积为180m2/g～280m2/g，所述石墨烯的C含量为80％～90％；
所述氧化镥的粒径D3满足5μm＜D3<10μm，Lu2O3含量﹥99％；
所述氧化铝的粒径D4满足5μm＜D4<10μm，Al2O3含量﹥99％。
此外，本发明还提供一种制备上述的梯度多孔陶瓷预制体的方法，其特征在于，包括按照第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层的顺序，依次将对应混合后原料敷放于模具中，经模压成型和真空烧结，得到梯度多孔陶瓷预制体。
上述的方法，其特征在于，具体包括：
步骤一、分别将第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料经湿法球磨干燥，对应得到混合后原料；
步骤二、将第一多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第二多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第三多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第四多孔陶瓷预制体层的混合后原料和第五多孔陶瓷预制体层的混合后原料依次敷放于模具中，加压至100kN～120kN保持2min～4min，卸压，得到生坯；敷放于模具中每层混合后原料的厚度均为15mm～25mm；
步骤三、真空环境下，将上述生坯按照20℃/min～40℃/min的升温速率升至1800℃～2000℃，保持4h～6h进行烧结；
步骤四、将烧结后坯料随炉冷却，得到梯度多孔陶瓷预制体。
上述的方法，其特征在于，步骤三所述真空环境的真空度为400Pa～500Pa；步骤三还包括烧结过程中向生坯施加80kN～100kN的压力。
进一步的，本发明还提供一种铝合金增韧陶瓷复合材料，其特征在于，包括铝合金和权利要求1～8任一权利要求所述的梯度多孔陶瓷预制体，所述铝合金为ZL101铝合金或ZL102铝合金。
更进一步的，本发明还提供一种制备上述铝合金增韧陶瓷复合材料的方法，其特征在于，包括：
步骤一、将脱模剂涂覆于压铸机压力室内；
步骤二、将所述梯度多孔陶瓷预制体置于压力室内，将压力室预热至500℃～700℃；
步骤三、将熔融铝合金液倒入所述压力室；
步骤四、将压力室抽真空至＜200Pa，向装有熔融铝合金液和梯度多孔陶瓷预制体的压力室施压至40MPa～60MPa，保持10分钟～20分钟，停止施压；
步骤五、冷却，脱模，得到铸块，将铸块重新熔融，取出；
步骤六、对重新熔融后物料进行热处理，得到电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料。
上述的方法，其特征在于，所述热处理包括：将所述重新熔融后物料放入马弗炉中，将炉温在0.6h～1h内从室温升至500℃～700℃，保温5h～7h，取出，水淬，在160℃～200℃保温4h～8h。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用陶瓷预制体层的特定层状结构以及具有梯度变化的气孔率，赋予材料耐磨损和抗冲击性能，具有良好的耐蚀性、高比模量、高比强度和高耐磨性，符合安全钳楔块的性能需求，在电梯安全钳楔块制造领域具有广阔的应用前景。
2、本发明的梯度多孔陶瓷预制体原料均包括氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝，经真空烧结得到碳化硼陶瓷预制体，具有良好耐磨损和抗冲击性能。
3、本发明制备上述梯度多孔陶瓷预制体的方法包括将具有特定粒径范围的氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝按照特定配比混合，经敷放、模压成型和真空烧结，得到梯度多孔陶瓷预制体，可有效避免传统陶瓷材料易团聚、颗粒尺寸不均匀的缺陷，充分利用氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝的物理特性，获得粒径均匀细小的高纯度碳化硼陶瓷，具有更高硬度和耐磨损性能。
4、本发明的铝合金增韧陶瓷复合材料包括铝合金和上述梯度多孔陶瓷预制体，充分结合铝合金和梯度多孔陶瓷预制体的物理性能，改善传统钢材料性能。
5、本发明制备上述铝合金增韧陶瓷复合材料的方法通过将熔融铝合金和上述梯度多孔陶瓷预制体经挤压铸造获得硬度和韧性具有梯度变化的材料，致密度高，从与电梯导轨相互摩擦的安全钳楔块工作面到安全钳楔块与基座固定的固定面，硬度逐层降低，冲击韧性逐层增加，与电梯导轨相互摩擦的安全钳楔块工作部分具有优良的耐摩擦磨损性能，与基座固定的安全钳楔块基座部位具有优良的抗冲击性能，符合安全钳楔块的性能需求。
6、本发明制备上述铝合金增韧陶瓷复合材料的方法针对性解决熔融合金液与梯度多孔陶瓷预制体的润湿性差的问题，通过真空挤压铸造和压入法，将熔融铝合金液压入梯度多孔陶瓷预制体孔道中，具有浸渗时间的特点，熔融铝合金液填充量更高，具有更高的物理性能。
7、本发明制备方法工艺合理，操作简单，具有广泛的应用价值。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
说明书附图
图1为实施例4的铝合金增韧陶瓷复合材料的结构示意图。
图2为实施例4的铝合金增韧陶瓷复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供一种梯度多孔陶瓷预制体，所述梯度多孔陶瓷预制体包括依次设置的第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层；
所述第一多孔陶瓷预制体层的气孔率、第二多孔陶瓷预制体层的气孔率、第三多孔陶瓷预制体层的气孔率、第四多孔陶瓷预制体层的气孔率和第五多孔陶瓷预制体层的气孔率依次增大。
进一步的，所述第一多孔陶瓷预制体层的厚度、第二多孔陶瓷预制体层的厚度、第三多孔陶瓷预制体层的厚度、第四多孔陶瓷预制体层的厚度和第五多孔陶瓷预制体层的厚度均为10mm～20mm。
进一步的，所述第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料均包括氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝；
所述第一多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为50％～56％、石墨烯的质量百分含量为34％～40％、氧化镥的质量百分含量为5％、氧化铝的质量百分含量为5％；
所述第二多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为51％～57％、石墨烯的质量百分含量为35％～41％，氧化镥的质量百分含量为4％、氧化铝的质量百分含量为4％；
所述第三多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为52％～58％、石墨烯的质量百分含量为36％～42％，氧化镥的质量百分含量为3％、氧化铝的质量百分含量为3％；
所述第四多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为53％～59％、石墨烯的质量百分含量为37％～43％，氧化镥的质量百分含量为2％、氧化铝的质量百分含量为2％；
所述第五多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为54％～60％、石墨烯的质量百分含量为38％～44％，氧化镥的质量百分含量为1％、氧化铝的质量百分含量为1％；
所述氧化硼的粒径D1满足10μm＜D1<20μm，B2O3含量﹥99％；
所述石墨烯的粒径D2满足5μm＜D2<10μm，石墨烯比表面积为180m2/g～280m2/g，所述石墨烯的C含量为80％～90％；
所述氧化镥的粒径D3满足5μm＜D3<10μm，Lu2O3含量﹥99％；
所述氧化铝的粒径D4满足5μm＜D4<10μm，Al2O3含量﹥99％。
另一方面，本发明还提供一种铝合金增韧陶瓷复合材料，包括铝合金和上述的梯度多孔陶瓷预制体，所述铝合金为ZL101铝合金或ZL102铝合金。
以下结合实施例具体说明本发明的内容，下列说明并非对本发明的限制。
按本发明的方法制备得到一系列梯度多孔陶瓷预制体和铝合金增韧陶瓷复合材料，具体如下。
实施例1
本实施例提供一种梯度多孔陶瓷预制体，所述梯度多孔陶瓷预制体包括依次设置的第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层；
所述第一多孔陶瓷预制体层的气孔率、第二多孔陶瓷预制体层的气孔率、第三多孔陶瓷预制体层的气孔率、第四多孔陶瓷预制体层的气孔率和第五多孔陶瓷预制体层的气孔率依次增大。
所述第一多孔陶瓷预制体层的厚度、第二多孔陶瓷预制体层的厚度、第三多孔陶瓷预制体层的厚度、第四多孔陶瓷预制体层的厚度和第五多孔陶瓷预制体层的厚度均为10mm。
所述第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料均包括氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝；
所述第一多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为50％、石墨烯的质量百分含量为40％、氧化镥的质量百分含量为5％、氧化铝的质量百分含量为5％；
所述第二多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为51％、石墨烯的质量百分含量为41％，氧化镥的质量百分含量为4％、氧化铝的质量百分含量为4％；
所述第三多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为52％、石墨烯的质量百分含量为42％，氧化镥的质量百分含量为3％、氧化铝的质量百分含量为3％；
所述第四多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为53％、石墨烯的质量百分含量为43％，氧化镥的质量百分含量为2％、氧化铝的质量百分含量为2％；
所述第五多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为54％、石墨烯的质量百分含量为44％，氧化镥的质量百分含量为1％、氧化铝的质量百分含量为1％；
所述氧化硼的粒径D1满足10μm＜D1<20μm，B2O3含量﹥99％；
所述石墨烯的粒径D2满足5μm＜D2<10μm，石墨烯比表面积为180m2/g～280m2/g，所述石墨烯的C含量为80％～90％；
所述氧化镥的粒径D3满足5μm＜D3<10μm，Lu2O3含量﹥99％；
所述氧化铝的粒径D4满足5μm＜D4<10μm，Al2O3含量﹥99％。
此外，本实施例还提供一种制备上述梯度多孔陶瓷预制体的方法，包括：
步骤一、分别将第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料经湿法球磨干燥，对应得到混合后原料；
步骤二、将第一多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第二多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第三多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第四多孔陶瓷预制体层的混合后原料和第五多孔陶瓷预制体层的混合后原料依次敷放于模具中，加压至100kN保持2min，卸压，得到生坯；敷放于模具中每层混合后原料的厚度均为15mm；
步骤三、真空环境下，将上述生坯按照20℃/min的升温速率升至1800℃，保持4h进行烧结；步骤三所述真空环境的真空度为400Pa；步骤三还包括烧结过程中向生坯施加80kN的压力
步骤四、将烧结后坯料随炉冷却，得到梯度多孔陶瓷预制体。
本实施例的梯度多孔陶瓷预制体中每层原料成分组成和气孔率如表1。
表1实施例1的梯度多孔陶瓷预制体中各参数
Figure BDA0003260598770000101
根据表1可知，本实施例的梯度多孔陶瓷预制体单层气孔率逐层增大。
实施例2
本实施例提供一种梯度多孔陶瓷预制体，所述梯度多孔陶瓷预制体包括依次设置的第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层；
所述第一多孔陶瓷预制体层的气孔率、第二多孔陶瓷预制体层的气孔率、第三多孔陶瓷预制体层的气孔率、第四多孔陶瓷预制体层的气孔率和第五多孔陶瓷预制体层的气孔率依次增大。
所述第一多孔陶瓷预制体层的厚度、第二多孔陶瓷预制体层的厚度、第三多孔陶瓷预制体层的厚度、第四多孔陶瓷预制体层的厚度和第五多孔陶瓷预制体层的厚度均为15mm。
所述第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料均包括氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝；
所述第一多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为53％、石墨烯的质量百分含量为37％、氧化镥的质量百分含量为5％、氧化铝的质量百分含量为5％；
所述第二多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为54％、石墨烯的质量百分含量为38％，氧化镥的质量百分含量为4％、氧化铝的质量百分含量为4％；
所述第三多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为55％、石墨烯的质量百分含量为39％，氧化镥的质量百分含量为3％、氧化铝的质量百分含量为3％；
所述第四多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为56％、石墨烯的质量百分含量为40％，氧化镥的质量百分含量为2％、氧化铝的质量百分含量为2％；
所述第五多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为57％、石墨烯的质量百分含量为41％，氧化镥的质量百分含量为1％、氧化铝的质量百分含量为1％；
所述氧化硼的粒径D1满足10μm＜D1<20μm，B2O3含量﹥99％；
所述石墨烯的粒径D2满足5μm＜D2<10μm，石墨烯比表面积为180m2/g～280m2/g，所述石墨烯的C含量为80％～90％；
所述氧化镥的粒径D3满足5μm＜D3<10μm，Lu2O3含量﹥99％；
所述氧化铝的粒径D4满足5μm＜D4<10μm，Al2O3含量﹥99％。
此外，本实施例还提供一种制备上述梯度多孔陶瓷预制体的方法，包括：
步骤一、分别将第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料经湿法球磨干燥，对应得到混合后原料；
步骤二、将第一多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第二多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第三多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第四多孔陶瓷预制体层的混合后原料和第五多孔陶瓷预制体层的混合后原料依次敷放于模具中，加压至110kN保持3min，卸压，得到生坯；敷放于模具中每层混合后原料的厚度均为20mm；
步骤三、真空环境下，将上述生坯按照30℃/min的升温速率升至1900℃，保持5h进行烧结；步骤三所述真空环境的真空度为450Pa；步骤三还包括烧结过程中向生坯施加90kN的压力
步骤四、将烧结后坯料随炉冷却，得到梯度多孔陶瓷预制体。
本实施例的梯度多孔陶瓷预制体中每层原料成分组成和气孔率如表2。
表2实施例2的梯度多孔陶瓷预制体中各参数
Figure BDA0003260598770000121
根据表2可知，本实施例的梯度多孔陶瓷预制体单层气孔率逐层增大。
实施例3
本实施例提供一种梯度多孔陶瓷预制体，所述梯度多孔陶瓷预制体包括依次设置的第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层；
所述第一多孔陶瓷预制体层的气孔率、第二多孔陶瓷预制体层的气孔率、第三多孔陶瓷预制体层的气孔率、第四多孔陶瓷预制体层的气孔率和第五多孔陶瓷预制体层的气孔率依次增大。
所述第一多孔陶瓷预制体层的厚度、第二多孔陶瓷预制体层的厚度、第三多孔陶瓷预制体层的厚度、第四多孔陶瓷预制体层的厚度和第五多孔陶瓷预制体层的厚度均为20mm。
所述第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料均包括氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝；
所述第一多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为56％、石墨烯的质量百分含量为34％、氧化镥的质量百分含量为5％、氧化铝的质量百分含量为5％；
所述第二多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为57％、石墨烯的质量百分含量为35％，氧化镥的质量百分含量为4％、氧化铝的质量百分含量为4％；
所述第三多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为58％、石墨烯的质量百分含量为36％，氧化镥的质量百分含量为3％、氧化铝的质量百分含量为3％；
所述第四多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为59％、石墨烯的质量百分含量为37％，氧化镥的质量百分含量为2％、氧化铝的质量百分含量为2％；
所述第五多孔陶瓷材料层的原料中，氧化硼的质量百分含量为60％、石墨烯的质量百分含量为38％，氧化镥的质量百分含量为1％、氧化铝的质量百分含量为1％；
所述氧化硼的粒径D1满足10μm＜D1<20μm，B2O3含量﹥99％；
所述石墨烯的粒径D2满足5μm＜D2<10μm，石墨烯比表面积为180m2/g～280m2/g，所述石墨烯的C含量为80％～90％；
所述氧化镥的粒径D3满足5μm＜D3<10μm，Lu2O3含量﹥99％；
所述氧化铝的粒径D4满足5μm＜D4<10μm，Al2O3含量﹥99％。
此外，本实施例还提供一种制备上述梯度多孔陶瓷预制体的方法，包括：
步骤一、分别将第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料经湿法球磨干燥，对应得到混合后原料；
步骤二、将第一多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第二多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第三多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第四多孔陶瓷预制体层的混合后原料和第五多孔陶瓷预制体层的混合后原料依次敷放于模具中，加压至120kN保持4min，卸压，得到生坯；敷放于模具中每层混合后原料的厚度均为25mm；
步骤三、真空环境下，将上述生坯按照40℃/min的升温速率升至2000℃，保持6h进行烧结；步骤三所述真空环境的真空度为500Pa；步骤三还包括烧结过程中向生坯施加100kN的压力；
步骤四、将烧结后坯料随炉冷却，得到梯度多孔陶瓷预制体。
本实施例的梯度多孔陶瓷预制体中每层原料成分组成和气孔率如表3。
表3实施例3的梯度多孔陶瓷预制体中各参数
Figure BDA0003260598770000141
根据表3可知，本实施例的梯度多孔陶瓷预制体单层气孔率逐层增大。
实施例4
本实施例提供一种电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料，包括铝合金和实施例1的复合材料，所述铝合金为ZL101。
本实施例还提供一种制备上述电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料的方法，包括：
步骤一、将脱模剂涂覆于压铸机压力室内，以方便脱模；
步骤二、将实施例1的梯度多孔陶瓷预制体置于压力室内，将压力室预热至500℃；
步骤三、将熔融铝合金液倒入所述压力室，至所述熔融铝合金液充满压力室；所述熔融铝合金液为铝合金在≥750℃熔融得到的熔融铝合金液，优选熔融温度为750℃～850℃；
步骤四、将压力室抽真空至＜200Pa，向装有熔融铝合金液和所述梯度多孔陶瓷预制体的压力室施压至40MPa，保持15分钟以将所述熔融铝合金液压入复合材料中，停止施压；
步骤五、冷却，脱模，得到铸块，将铸块重新熔融以去除多余铝合金，取出；所述重新熔融的温度优选为800℃；
步骤六、对重新熔融后物料进行热处理，得到电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料；所述热处理包括：将所述重新熔融后物料放入马弗炉中，将炉温在0.6h内从室温升至500℃，保温5h，取出，水淬，在160℃保温4h；铝合金增韧陶瓷复合材料结构如图1所示，包括依次设置的第一铝增韧多孔陶瓷层1、第二铝增韧多孔陶瓷层2、第三铝增韧多孔陶瓷层3、第四铝增韧多孔陶瓷层4和第五铝增韧多孔陶瓷层5。
本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料单层显微硬度和冲击韧性如表4所示。其中，单层显微硬度和冲击韧性的测试分别依据《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》(GB/T229-2007)，其中每组为三个试样，取平均值，以及《GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》，即将试样制备成金相试样，利用显微硬度计测量试样的显微硬度，试验力范围200gf，实验载荷200g，加载时间15s，每个部位测量硬度6个点，取平均值。
表4实施例4的铝合金增韧陶瓷复合材料单层显微硬度和冲击韧性
Figure BDA0003260598770000151
Figure BDA0003260598770000161
本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料具有极高的高温耐磨擦磨损性能和抗冲击性能，可满足电梯安全钳楔块材料工作环境的要求。
将实施例4的铝合金增韧陶瓷复合材料作为安全钳楔块装入电梯系统中，使第一层靠近导轨，第五层靠近基座，从与电梯导轨相互摩擦的安全钳楔块工作面到安全钳楔块与基座固定的固定面，硬度逐渐降低，冲击韧性逐渐增加，与电梯导轨相互摩擦的安全钳楔块工作部分具有优良的耐摩擦磨损性能，与基座固定的安全钳楔块基座部位具有优良的抗冲击性能，本发明的铝合金增韧陶瓷复合材料在高温等电梯运行环境中具有良好性能，符合安全钳楔块的性能需求。
图2为本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料的扫描电镜图，根据图2可知，铝合金增韧陶瓷复合材料微观组织致密，没有铸造缺陷，铝合金在碳化硼陶瓷多孔梯度预制体中的气孔填充完全，碳化硼陶瓷增强颗粒细小，呈等轴状，分布均匀，表明本发明的铝合金增韧陶瓷复合材料具有优良的微观组织。
实施例5
本实施例提供一种电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料，包括铝合金和实施例2的复合材料，所述铝合金为ZL102。
本实施例还提供一种制备上述电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料的方法，包括：
步骤一、将脱模剂涂覆于压铸机压力室内，以方便脱模；
步骤二、将实施例2的梯度多孔陶瓷预制体置于压力室内，将压力室预热至600℃；
步骤三、将熔融铝合金液倒入所述压力室，至所述熔融铝合金液充满压力室；所述熔融铝合金液为铝合金在≥750℃熔融得到的熔融铝合金液，优选熔融温度为750℃～850℃；
步骤四、将压力室抽真空至＜200Pa，向装有熔融铝合金液和所述梯度多孔陶瓷预制体的压力室施压至50MPa，保持10分钟以将所述熔融铝合金液压入复合材料中，停止施压；
步骤五、冷却，脱模，得到铸块，将铸块重新熔融以去除多余铝合金，取出；所述重新熔融的温度优选为800℃；
步骤六、对重新熔融后物料进行热处理，得到电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料；所述热处理包括：将所述重新熔融后物料放入马弗炉中，将炉温在0.8h内从室温升至600℃，保温6h，取出，水淬，在180℃保温6h。
本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料单层显微硬度和冲击韧性如表5所示，单层显微硬度和冲击韧性测试方法与实施例4相同。
表5实施例5的铝合金增韧陶瓷复合材料单层显微硬度和冲击韧性
单层显微硬度Hv 单层冲击韧性J
第1层 884 21
第2层 741 30
第3层 672 36
第4层 609 40
第5层 538 43
本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料具有极高的高温耐磨擦磨损性能和抗冲击性能，可满足电梯安全钳楔块材料工作环境的要求。
本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料形貌与实施例4基本相同。
实施例6
本实施例提供一种电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料，包括铝合金和实施例3的复合材料，所述铝合金为ZL101。
本实施例还提供一种制备上述电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料的方法，包括：
步骤一、将脱模剂涂覆于压铸机压力室内，以方便脱模；
步骤二、将实施例3的梯度多孔陶瓷预制体置于压力室内，将压力室预热至700℃；
步骤三、将熔融铝合金液倒入所述压力室，至所述熔融铝合金液充满压力室；所述熔融铝合金液为铝合金在≥750℃熔融得到的熔融铝合金液，优选熔融温度为750℃～850℃；
步骤四、将压力室抽真空至＜200Pa，向装有熔融铝合金液和所述梯度多孔陶瓷预制体的压力室施压至60MPa，保持20分钟以将所述熔融铝合金液压入复合材料中，停止施压；
步骤五、冷却，脱模，得到铸块，将铸块重新熔融以去除多余铝合金，取出；所述重新熔融的温度优选为800℃；
步骤六、对重新熔融后物料进行热处理，得到电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料；所述热处理包括：将所述重新熔融后物料放入马弗炉中，将炉温在1.0h内从室温升至700℃，保温7h，取出，水淬，在200℃保温8h。
本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料单层显微硬度和冲击韧性如表6所示，单层显微硬度和冲击韧性测试方法与实施例4相同。
表6实施例6的铝合金增韧陶瓷复合材料单层显微硬度和冲击韧性
单层显微硬度Hv 单层冲击韧性J
第1层 890 20
第2层 755 28
第3层 679 35
第4层 621 38
第5层 545 41
本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料具有极高的高温耐磨擦磨损性能和抗冲击性能，可满足电梯安全钳楔块材料工作环境的要求。
本实施例的铝合金增韧陶瓷复合材料形貌与实施例4基本相同。
性能评价：
实施例4～6中的铝合金增韧陶瓷复合材料的摩擦磨损实验测试中磨损量结果如表7所示，其中施加载荷为50N，转速为1500r/min，利用摩擦磨损试验机进行。从表7中可以观察到，在相同摩擦磨损测试条件下，本发明的铝合金增韧陶瓷复合材料在经碳化硼增强后，磨损量远小于45钢，表明本发明的铝合金增韧陶瓷复合材料可以满足电梯安全钳楔块的安全使用要求，可有效延长电梯安全钳楔块的使用寿命。
表7实施例4～6中的铝合金增韧陶瓷复合材料的摩擦磨损实验测试中磨损量
样品 磨损20h(mg) 磨损40h(mg) 磨损60h(mg)
45钢 72 89 103
实施例4 56 67 72
实施例5 54 66 70
实施例6 55 65 70
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种铝合金增韧陶瓷复合材料，其特征在于，所述铝合金增韧陶瓷复合材料用于电梯安全钳楔块，所述铝合金增韧陶瓷复合材料包括铝合金和梯度多孔陶瓷预制体，所述铝合金为ZL101铝合金或ZL102铝合金，所述梯度多孔陶瓷预制体包括依次设置的第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层；
所述第一多孔陶瓷预制体层的气孔率、第二多孔陶瓷预制体层的气孔率、第三多孔陶瓷预制体层的气孔率、第四多孔陶瓷预制体层的气孔率和第五多孔陶瓷预制体层的气孔率依次增大；
所述第一多孔陶瓷预制体层的厚度、第二多孔陶瓷预制体层的厚度、第三多孔陶瓷预制体层的厚度、第四多孔陶瓷预制体层的厚度和第五多孔陶瓷预制体层的厚度均为10mm～20mm；
所述第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料均包括氧化硼、石墨烯、氧化镥和氧化铝；
所述第一多孔陶瓷预制体层的原料中，氧化硼的质量百分含量为50％～56％、石墨烯的质量百分含量为34％～40％、氧化镥的质量百分含量为5％、氧化铝的质量百分含量为5％；
所述第二多孔陶瓷预制体层的原料中，氧化硼的质量百分含量为51％～57％、石墨烯的质量百分含量为35％～41％，氧化镥的质量百分含量为4％、氧化铝的质量百分含量为4％；
所述第三多孔陶瓷预制体层的原料中，氧化硼的质量百分含量为52％～58％、石墨烯的质量百分含量为36％～42％，氧化镥的质量百分含量为3％、氧化铝的质量百分含量为3％；
所述第四多孔陶瓷预制体层的原料中，氧化硼的质量百分含量为53％～59％、石墨烯的质量百分含量为37％～43％，氧化镥的质量百分含量为2％、氧化铝的质量百分含量为2％；
所述第五多孔陶瓷预制体层的原料中，氧化硼的质量百分含量为54％～60％、石墨烯的质量百分含量为38％～44％，氧化镥的质量百分含量为1％、氧化铝的质量百分含量为1％；
所述氧化硼的粒径D1 满足10μm＜D1 <20μm，B2O3含量﹥99％；
所述石墨烯的粒径D2 满足5μm＜D2 <10μm，石墨烯比表面积为180m2/g～280m2/g，所述石墨烯的C含量为80％～90％；
所述氧化镥的粒径D3 满足5μm＜D3 <10μm，Lu2O3含量﹥99％；
所述氧化铝的粒径D4 满足5μm＜D4 <10μm，Al2O3含量﹥99％。
2.一种制备如权利要求1所述的铝合金增韧陶瓷复合材料的方法，其特征在于，包括制备梯度多孔陶瓷预制体的方法，所述制备梯度多孔陶瓷预制体的方法包括：按照第一多孔陶瓷预制体层、第二多孔陶瓷预制体层、第三多孔陶瓷预制体层、第四多孔陶瓷预制体层和第五多孔陶瓷预制体层的顺序，依次将对应混合后原料敷放于模具中，经模压成型和真空烧结，得到梯度多孔陶瓷预制体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，具体包括：
步骤一、分别将第一多孔陶瓷预制体层的原料、第二多孔陶瓷预制体层的原料、第三多孔陶瓷预制体层的原料、第四多孔陶瓷预制体层的原料和第五多孔陶瓷预制体层的原料经湿法球磨干燥，对应得到混合后原料；
步骤二、将第一多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第二多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第三多孔陶瓷预制体层的混合后原料、第四多孔陶瓷预制体层的混合后原料和第五多孔陶瓷预制体层的混合后原料依次敷放于模具中，加压至100kN～120kN保持2min～4min，卸压，得到生坯；敷放于模具中每层混合后原料的厚度均为15mm～25mm；
步骤三、真空环境下，将上述生坯按照20℃/min～40℃/min的升温速率升至1800℃～2000℃，保持4h～6h进行烧结；
步骤四、将烧结后坯料随炉冷却，得到梯度多孔陶瓷预制体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三所述真空环境的真空度为400Pa～500Pa；步骤三还包括烧结过程中向生坯施加80kN～100kN的压力。
5.一种制备如权利要求1所述铝合金增韧陶瓷复合材料的方法，其特征在于，包括：
步骤一、将脱模剂涂覆于压铸机压力室内；
步骤二、将所述梯度多孔陶瓷预制体置于压力室内，将压力室预热至500℃～700℃；
步骤三、将熔融铝合金液倒入所述压力室；
步骤四、将压力室抽真空至＜200Pa，向装有熔融铝合金液和梯度多孔陶瓷预制体的压力室施压至40MPa～60MPa，保持10分钟～20分钟，停止施压；
步骤五、冷却，脱模，得到铸块，将铸块重新熔融，取出；
步骤六、对重新熔融后物料进行热处理，得到电梯安全钳楔块用铝合金增韧陶瓷复合材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤六所述热处理包括：将所述重新熔融后物料放入马弗炉中，将炉温在0.6h～1h内从室温升至500℃～700℃，保温5h～7h，取出，水淬，在160℃～200℃保温4h～8h。
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