CN115976361A - 一种高强韧抗辐照铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明复合材料制备的技术领域，具体涉及一种高强韧抗辐照铝基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：将一定量的纳米和微米碳化硼颗粒均匀铺覆到清洁后的铝片表面，将铺覆了碳化硼颗粒的铝片依次叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；将板状叠层坯料在室温下进行多次轧制变形，直至碳化硼颗粒分散均匀，得到中间材料；将中间材料轧制成粗胚，再将粗胚加热至一定温度后进行轧制，至累积厚度方向变形量为70％以上，得到所述高强韧抗辐照铝基复合材料。本发明方法简单，可以适用工业生产。不需要在B4C/Al复合材料中引入新的增强相，仅通过调控增强体颗粒即可改善材料的综合性能。
Description
技术领域
本发明复合材料制备的技术领域，具体涉及一种高强韧抗辐照铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，颗粒增强金属基复合材料由于其低热膨胀系数(CTE)、高耐磨性和其他特定物理或机械性能，在航空航天、能源、电子和汽车工业的材料系统中作为有前途的结构材料受到了广泛关注。特别是，碳化硼颗粒增强铝基复合材料(B4C/Al)是核工业中使用的一种杰出的结构材料，由于其密度低、比强度高、中子吸收能力强，使得B4C/Al复合材料成为乏核燃料运输和干湿储存的理想中子吸收材料。然而，由于核工业和相关研究中广泛使用较高的B4C含量，B4C/Al复合材料的力学性能具有挑战性，较高的B4C含量确保了更好的功能性能，但往往会导致更多的孔隙和严重的应力集中，并伴随着不满意的力学性能。
理论上，纳米颗粒能更好地阻碍基体中的位错运动，从而更有效地提高复合材料的强度。此外，纳米颗粒还能导致晶界强化和基体位错强化效应的增强。然而纳米颗粒的比表面积大、表面能很高，与基体的接触角大，这些因素都使得纳米颗粒容易团聚，对材料的力学性能产生不利影响。而微米颗粒在提高硬度和耐磨性方面具有优势，并且在制备过程中的团聚趋势弱于纳米颗粒，通常可以用于制备较高质量分数的复合材料。根据核反应临界条件，只有当B4C颗粒添加到金属材料中的含量高于某一临界值时，才能满足核防护的要求。因此，设计一种混合尺寸(微米+纳米)颗粒增强的新型复合材料，在满足较高质量分数的同时综合提高复合材料的强韧性能已成为一个热点研究方向。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，无污染，成本低，效率高。
本发明的目的之二在于提供一种高强韧抗辐照铝基复合材料，微纳米碳化硼颗粒均分散均匀，致密度良好，具有优良的强韧性能。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一定量的纳米和微米碳化硼颗粒均匀铺覆到清洁后的铝片表面，将铺覆了碳化硼颗粒的铝片依次叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；
(2)将步骤(1)得到的板状叠层坯料在室温下进行多次轧制变形，直至碳化硼颗粒分散均匀，得到中间材料；
(3)将步骤(2)得到的中间材料轧制成粗胚，再将粗胚加热至一定温度后进行轧制，至累积厚度方向变形量为70％以上，得到所述高强韧抗辐照铝基复合材料。
优选地，所述步骤(1)中，纳米碳化硼颗粒的直径为50～500nm，微米碳化硼颗粒的直径为1～20μm。
优选地，所述步骤(1)中，碳化鹏颗粒占符合材料的质量百分数为10％～20％。
优选地，所述步骤(1)中，纳米碳化硼颗粒和微米碳化硼颗粒的质量比为3～1:1。
优选地，所述步骤(2)中，轧制的具体过程为：每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量在50％～60％之间，每道次轧制后，将材料沿长度方向进行对折，然后进行下一道次轧制，每道次的累积变形量大于或等于50％，总轧制道次为30～50道次。
优选地，所述步骤(3)中，粗胚的轧制方法为将中间材料均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚，铜管内壁包覆隔绝材料。
优选地，所述步骤(3)中，将粗胚加热至500～600℃后并保温10-30分钟后进行轧制。
优选地，所述步骤(3)中，累积轧制3～4次，厚度方向累积压下量为70％～80％。
优选地，所述步骤(3)中，制备的铝高强韧抗辐照铝基复合材料的抗拉强度高达223.2～301.6Mpa，断后延伸率在1.9～10.1％。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种高强韧抗辐照铝基复合材料，采用所述的制备方法制得。
本发明的原理如下：纳米颗粒具有更好的阻止金属基体中位错运动的能力，因此可以更有效地增强复合材料的强度(Orowan强化)。除此以外，嵌入的纳米颗粒还可以增强基体的晶界强化和位错强化效应。而微米颗粒的团聚倾向相对较弱，能够适用于制备较高质量分数的B4C/Al复合材料。将碳化硼颗粒夹在多层铝片中间进行30～50道次室温轧制，在剧烈的塑性变形作用下，纳米碳化硼颗粒逐渐均匀分散而微米颗粒逐渐破碎，需要严格控制室温轧制道次。高温轧制将复合材料制备成完整的块体，提高致密度并降低缺陷。本发明所需设备为激光清洗机、工业轧机、马沸炉和液压机，通过一定道次的室温轧制和高温轧制，所制得的混合粒径复合材料中微纳米碳化硼颗粒均分散均匀，致密度良好，具有优良的强韧性能。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明方法简单，所需设备仅为激光清洗机、工业轧机、马沸炉和液压机，通过一定道次的室温轧制和高温轧制变形制得复合材料，可以适用工业生产。
2.本发明不需要在B4C/Al复合材料中引入新的增强相，仅通过调控增强体颗粒即可改善材料的综合性能。
3.本发明能够制备的铝基复合材料中微纳米颗粒分散都很均匀，致密度良好，利于性能强化。
4.本发明制备的碳化硼颗粒增强铝基复合材料具有较好的强韧性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中得到的nm：μm＝3:1的10％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图2为本发明实施例2中得到的nm：μm＝1:1的10％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图3为本发明实施例3中得到的nm：μm＝2:1的15％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图4为本发明实施例4中得到的nm：μm＝1:1的15％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图5为本发明实施例5中得到的nm：μm＝3:1的10％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图6为本发明实施例6中得到的nm：μm＝1:1的20％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，复合材料中B4C颗粒增强体的总质量分数为10％，其中纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为3:1，纳米碳化硼颗粒的直径为50～500nm，微米碳化硼颗粒的直径为1～20μm。
(1)对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(8片，10mm*5mm*0.25mm)备用；
(2)根据铝片质量按照纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为3:1的比例称取总质量分数为10％的碳化硼颗粒，将纳米和微米碳化硼颗粒混合均匀后铺覆到铝片表面。将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；
(3)将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30，得到中间材料；
(4)将步骤(3)得到的样品均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温20min后进行轧制，累积轧制4次以上，累积厚度方向变形量为75％以上，得到最终复合材料。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达221.6MPa，为纯铝的3.3倍，延伸率为9.4％，具有较为优异的强韧性能。
图1为本实施例中得到的10％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片，从图中可以看出增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
实施例2
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，复合材料中B4C颗粒增强体的总质量分数为10％，其中纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为1:1，纳米碳化硼颗粒的直径为50～500nm，微米碳化硼颗粒的直径为1～20μm。
(1)对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(8片，10mm*5mm*0.25mm)备用；
(2)根据铝片质量按照纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为1:1的比例称取总质量分数为10％的碳化硼颗粒，将纳米和微米碳化硼颗粒混合均匀后铺覆到铝片表面。将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；
(3)将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30，得到中间材料；
(4)将步骤(3)得到的样品均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温20min后进行轧制，累积轧制4次以上，累积厚度方向变形量为75％以上，得到最终复合材料。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达223.2MPa，为纯铝的3.3倍，延伸率为10.1％，具有较为优异的强韧性能。
图2为本实施例中得到的10％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片，从图中可以看出增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
实施例3
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，复合材料中B4C颗粒增强体的总质量分数为15％，其中纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为2:1，纳米碳化硼颗粒的直径为50～500nm，微米碳化硼颗粒的直径为1～20μm。
(1)对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(8片，10mm*5mm*0.25mm)备用；
(2)根据铝片质量按照纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为2:1的比例称取质量分数为15％的碳化硼颗粒，将纳米和微米碳化硼颗粒混合均匀后铺覆到铝片表面。将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；
(3)将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30，得到中间材料；
(4)将步骤(3)得到的样品均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温20min后进行轧制，累积轧制4次以上，累积厚度方向变形量为75％以上，得到最终复合材料。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达281.7MPa，为纯铝的4.2倍，延伸率为5.3％，具有较为优异的强韧性能。
图3为本实施例中得到的15％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片，从图中可以看出增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
实施例4
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，复合材料中B4C颗粒增强体的总质量分数为15％，其中纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为1:1，纳米碳化硼颗粒的直径为50～500nm，微米碳化硼颗粒的直径为1～20μm。
(1)对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(8片，10mm*5mm*0.25mm)备用；
(2)根据铝片质量按照纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为1:1的比例称取质量分数为15％的碳化硼颗粒，将纳米和微米碳化硼颗粒混合均匀后铺覆到铝片表面。将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；
(3)将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30，得到中间材料；
(4)将步骤(3)得到的样品均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温20min后进行轧制，累积轧制4次以上，累积厚度方向变形量为75％以上，得到最终复合材料。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达261.4MPa，为纯铝的3.8倍，延伸率为6.9％，具有较为优异的强韧性能。
图4为本实施例中得到的15％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片，从图中可以看出增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
实施例5
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，复合材料中B4C颗粒增强体的总质量分数为20％，其中纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为3:1，纳米碳化硼颗粒的直径为50～500nm，微米碳化硼颗粒的直径为1～20μm。
(1)对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(8片，10mm*5mm*0.25mm)备用；
(2)根据铝片质量按照纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为3:1的比例称取质量分数为20％的碳化硼颗粒，将纳米和微米碳化硼颗粒混合均匀后铺覆到铝片表面。将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；
(3)将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30，得到中间材料；
(4)将步骤(3)得到的样品均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温20min后进行轧制，累积轧制4次以上，累积厚度方向变形量为75％以上，得到最终复合材料。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达371.7MPa，为基体的5.5倍，延伸率为1.9％，具有较为优异的强度。
图5为本实施例中得到的20％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片，从图中可以看出增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
实施例6
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，复合材料中B4C颗粒增强体的总质量分数为20％，其中纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为1:1，纳米碳化硼颗粒的直径为50～500nm，微米碳化硼颗粒的直径为1～20μm。
(1)对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(8片，10mm*5mm*0.25mm)备用；
(2)根据铝片质量按照纳米碳化硼颗粒与微米碳化硼颗粒的质量比为1:1的比例称取质量分数为20％的碳化硼颗粒，将纳米和微米碳化硼颗粒混合均匀后铺覆到铝片表面。将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；
(3)将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50％～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30，得到中间材料；
(4)将步骤(3)得到的样品均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温20min后进行轧制，累积轧制4次以上，累积厚度方向变形量为75％以上，得到最终复合材料。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达301.6MPa，为基体的4.4倍，延伸率为2.2％，具有较为优异的强度。
图6为本实施例中得到的20％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片，从图中可以看出增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将一定量的纳米和微米碳化硼颗粒均匀铺覆到清洁后的铝片表面，将铺覆了碳化硼颗粒的铝片依次叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；
(2)将步骤(1)得到的板状叠层坯料在室温下进行多次轧制变形，直至碳化硼颗粒分散均匀，得到中间材料；
(3)将步骤(2)得到的中间材料轧制成粗胚，再将粗胚加热至一定温度后进行轧制，至累积厚度方向变形量为70％以上，得到所述高强韧抗辐照铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，纳米碳化硼颗粒的直径为50～500nm，微米碳化硼颗粒的直径为1～20μm。
3.根据权利要求1所述的高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，碳化鹏颗粒占符合材料的质量百分数为10％～20％。
4.根据权利要求1所述的高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，纳米碳化硼颗粒和微米碳化硼颗粒的质量比为3～1:1。
5.根据权利要求1所述的高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，轧制的具体过程为：每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量在50％～60％之间，每道次轧制后，将材料沿长度方向进行对折，然后进行下一道次轧制，每道次的累积变形量大于或等于50％，总轧制道次为30～50道次。
6.根据权利要求1所述的高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，粗胚的轧制方法为将中间材料均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚，铜管内壁包覆隔绝材料。
7.根据权利要求1所述的高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将粗胚加热至500～600℃后并保温10-30分钟后进行轧制。
8.根据权利要求1所述的高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，累积轧制3～4次，厚度方向累积压下量为70％～80％。
9.根据权利要求1所述的高强韧抗辐照铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，制备的铝高强韧抗辐照铝基复合材料的抗拉强度高达223.2～301.6Mpa，断后延伸率在1.9～10.1％。
10.一种高强韧抗辐照铝基复合材料，其特征在于：采用权利要求1-9中任一项所述的制备方法制得。
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