CN1193846C - 颗粒增强梯度复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于复合材料制备技术范围的一种颗粒增强梯度复合材料及其制备方法。它是在熔融的液态金属中掺入一定比例的高硬度的非金属颗粒，使液态金属在恒定的外加电磁场的电磁浮力的作用下形成定向移动，使增强相颗粒向与液态金属流动方向相反的方向迁移；冷却凝固后，便可得到增强相颗粒在材料中呈现梯度分布，其组织与性能亦呈梯度变化的材料。使复合材料的韧性和塑性得到很大改善，该复合材料既具材料本身的性能，又具加工方便，该电磁场作用下制备颗粒增强梯度复合材料及方法有较好的实施前景。

Description

颗粒增强梯度复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术，特别涉及一种电磁场作用下的颗粒增强梯度复合材料及其制备方法。
背景技术
目前在颗粒增强金属基复合材料的制备过程中，较难实现高体积分数的颗粒与基体的复合，并且在颗粒增强金属基复合材料中，强度与硬度提高的同时牺牲了一部分塑性和韧性，同时硬度的提高给材料的加工成形造成了极大的困难。通过在电磁场作用下制备颗粒增强梯度复合材料，可以实现用较低体积分数的复合材料，形成颗粒体积分数呈梯度分布的复合材料，材料的一端颗粒的体积分数较高，高体积分数的颗粒与基体可以在电磁场作用下达到自然结合，从而改善了复合条件；材料的成分呈梯度分布的同时，材料的性能也呈梯度分布，其韧性和塑性得到改善；由于低体积分数一端的塑性较好，克服了加工成形的困难。用此方法制备的颗粒增强梯度方法材料有较好的应用前景。同时还存在的问题是：增强体与基体结合时会有热错配应力产生，高体积分数一端的热应力高于低体积分数一端的热应力，在材料中存在热应力的梯度分布，会使材料变形或影响结合。
发明内容
本发明的目的是提供一种颗粒增强梯度复合材料及其制备方法。其特征在于：所述颗粒增强梯度复合材料是在熔融的金属材料中掺入一定比例的非金属颗粒，在电磁场作用下形成；所述非金属在金属中的含量体积比为10～70％。
所述金属材料选自Al、Ni、Cu、Fe。
所述非金属材料选自SiC、Al2O3、AlN。
所述金属材料和非金属材料为交叉组合。
所述电磁场之电流强度为1～10A，磁场强度为0.1～2T。
制备工艺过程为：
①将金属原料和非金属原料按比例混合后装入模具2中；
②将装好原料的模具2通过滑轮缆绳1放入感应加热装置3中加热，使金属处于熔融状态；
③调整支架6上的滑轮缆绳1，使模具2下降，进入直流电场与磁场系统4中，施以恒定的电流1-10A和静磁场0.1～2T，并控制施加电磁场的时间30-180分钟，以使液态金属在外加电磁场作用下，形成定向运动；
④再调整滑轮缆绳1，使模具2下降，进入冷却系统5中缓慢降温冷凝，待冷却到室温后，则制得增强相颗粒在材料中呈梯度分布的梯度复合材料。
本发明的有益效果为在颗粒增强复合材料的凝固成形过程中，加入恒定的电磁场，使液态金属在外加电磁场作用下，形成定向运动。由于电磁浮力的作用，增强相颗粒向与液态金属运动方向相反的方向迁移，冷却凝固后，便可得到增强相颗粒在材料中呈现梯度分布，克服了现有技术中存在的热错配应力的产生，及在材料中存在热应力的梯度分布问题。其组织与性能亦呈梯度变化的材料。材料的性能也呈梯度变化，其韧性和塑性得到改善。
附图说明
图1为制备颗粒增强梯度复合材料的电磁复合装置示意图。
具体实施方式
本发明为颗粒增强梯度复合材料及其制备方法。所述颗粒增强梯度复合材料由熔融的金属材料和掺入其中的非金属颗粒在静磁场和外加电磁场共同作用下形成的，其中非金属在金属中的含量体积比为10～70％。所述金属材料包含Al、Ni、Cu、Fe或其他金属、非金属材料包含SiC、Al2O3、AlN或其他硬度高的非金属，并且进行交叉组合。即如SiC可以分别掺杂到Al、Ni、Cu、Fe之中，其余类推。所述电磁场之电流强度为1～10A，磁场强度为0.1～2T。
制备工艺过程为：
①将金属原料和非金属原料按比例混合后装入模具2中；
②将装好原料的模具2通过支架6上的滑轮缆绳1放入感应加热装置3中加热，使金属处于熔融状态；
③调整滑轮缆绳1，使模具2下降，进入直流电场与磁场系统4中，施以恒定的电流1-10A和静磁场0.1～2T，并控制施加电磁场的时间30-180分钟，以使液态金属在外加电磁场作用下，形成定向运动；
④再调整滑轮缆绳1，使模具2下降，进入冷却系统5中缓慢降温冷凝，待降到室温后，则制得增强相颗粒在材料中呈梯度分布的梯度复合材料。下面仅以在Al中掺杂SiC为例(其余类同)进一步对本发明予以说明：
举例，在熔融状态的金属Al(700℃～800℃)中加入SiC颗粒或将已有的低体积分数(如20％)的SiC/Al基复合材料放入模具2中，将模具2放入电感线圈3中，进行感应加热，使材料处于熔融状态温度为700℃～800℃。此时，加电磁场，使液态金属Al在电磁场的作用下形成定向运动，在液态金属Al的运动过程中，由于电磁浮力的作用，增强相颗粒SiC将向与液态金属Al运动相反的方向迁移，在电磁场的作用下保持一小时后，将模具进行冷却。材料冷却凝固后，可形成一端的体积分数高(如50％)，另一端的体积分数低(如10％)，SiC颗粒在金属Al中呈梯度分布的材料。上述金属的加热温度、电磁场强度及保持时间随金属与非金属的不同组合而不同。

Claims (5)

1.一种颗粒增强梯度复合材料，其特征在于：所述颗粒增强梯度复合材料是在熔融的金属材料中掺入一定比例的非金属颗粒，在电磁场作用下形成；所述非金属在金属中的含量体积比为10～70％。
2.根据权利要求1所述的颗粒增强梯度复合材料，其特征在于：所述金属材料选自Al、Ni、Cu、Fe。
3.根据权利要求1所述的颗粒增强梯度复合材料，其特征在于：所述非金属材料选自SiC、Al2O3、AlN。
4.根据权利要求1所述的颗粒增强梯度复合材料，其特征在于：所述金属材料和非金属材料为交叉组合。
5.权利要求1所述的颗粒增强梯度复合材料的制备方法，其特征在于：在电磁场作用下制备颗粒增强梯度复合材料的制备工艺过程为：
①将金属原料和非金属原料按比例混合后装入模具(2)中；
②将装好原料的模具(2)通过滑轮缆绳(1)放入感应加热装置(3)中加热，使金属处于熔融状态；
③调整支架(6)上的滑轮缆绳(1)，使模具(2)下降，进入直流电场与磁场系统(4)中，施以恒定的电流1-10A和静磁场O.1～2T，并控制施加电磁场的时间30-180分钟，以使液态金属在电磁场作用下，形成定向运动；
④再调整滑轮缆绳(1)，使模具(2)下降，进入冷却系统(5)中缓慢降温冷凝，待冷却到室温后，则制得增强相颗粒在材料中呈梯度分布的梯度复合材料。
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