CN1641055A

CN1641055A - 浸渗制备纳米复合材料的方法

Info

Publication number: CN1641055A
Application number: CN 200510032677
Authority: CN
Inventors: 周照耀; 邵明; 夏伟; 王郡文
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT; Hunan University of Technology
Priority date: 2005-01-04
Filing date: 2005-01-04
Publication date: 2005-07-20

Abstract

本发明提供浸渗制备纳米复合材料的方法，包括下述步骤：将液体材料浸渗进入纳米粉末之间，再将液体材料固化，即制得纳米复合材料；所设工艺条件满足在前述操作过程中纳米粉末维持固态；所述液体材料可以是常温下为固体，通过加热转变成液体的材料，如金属材料，包括纯金属及合金，也可以是常温下为液体，通过加热转变成固体的材料，如热固性高分子材料。采用本发明纳米粉末能均匀分布在复合材料中，制得的纳米复合材料显微组织晶粒细小均匀，显微组织特征具有良好的重复性，纳米粉末颗粒的性质及状态被保持在所制备的材料中，因而具有组织均匀、性能良好的优点，应用范围广泛，市场前景好。

Description

浸渗制备纳米复合材料的方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种浸渗制备纳米复合材料的方法。

背景技术

粉末冶金制造复合材料是将不同的粉末材料聚集在一起制造成零件或块体材料，一般需通过较大的压应力压制使粉末颗粒结合在一起形成生坯，然后烧结生坯使粉末颗粒之间相互牢固地结合在一起，如专利申请号为01133505.X的发明专利公开的“一种制备TiB₂-BN导电复合材料的方法”，将二氧化钛粉末、三氧化二硼粉末及镁粉末混合之后用模具压制，然后烧结，用于陶瓷材料表面的金属化；对于纳米晶粉末，在烧结过程中晶粒很容易长大，以致难于保持纳米晶的性质；而且，由于粉末烧结材料内含有大量的孔隙，从而使复合材料不连续；另外，上述烧结过程一般必须在真空环境或有保护性气体的非氧化气氛条件下进行，烧结时间长，能耗高。铸造制造复合材料的方法主要有液体金属中加入陶瓷粉末颗粒搅拌铸造的方法、挤压铸造法及流变铸造法。液体中加粉末颗粒搅拌铸造的方法是通过机械在坩锅开口上方搅拌使金属液中产生涡流从而引入粉末颗粒，这种方法的不足之处是当粉末颗粒尺寸小于10μm时，无法通过搅拌的方法使粉末进入金属液体中，另外粉末无法均匀分布在基体材料中，显微组织不具有重复性。挤压铸造法是先用机械搅拌法制备复合浆料，然后将液体复合浆料倒入挤压模，用液压机给浆料施加一定的压力条件下凝固成形，这种方法制备的复合材料性能比搅拌铸造方法有所改善，但粉末仍无法均匀分布在基体材料中。流变铸造法是对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形成低粘度的半固态浆料，同时引入粉末颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相，在一定压力下充型凝固成形。铸造制备复合材料方法的缺点：一方面增强体颗粒越细，相应材料的比力学性能越高，另一方面越细的颗粒团聚现象越严重，导致普通铸法难以获得材料的最优性能；无并且法使粉末在基体材料中均匀分布，粉末材料在复合材料中所占比例较小，显微组织不具有重复性，因而复合材料性能的稳定性和可靠性无法得到保证。目前的熔体浸渗工艺方法是将金属液体浸渗进入多孔的粉末预制块中，采用的粉末为常规的微米级尺寸的粉末，但未见采用纳米尺寸粉末的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能使纳米粉末均匀分布在复合材料中，显微组织晶粒细小均匀，显微组织特征重复性好的复合材料的制备方法。

本发明目的通过下述技术方案实现：本浸渗纳米复合材料的制备方法包括下述步骤及工艺条件：先将液体材料浸渗进入纳米粉末之间，再将液体材料固化，即制得纳米复合材料；在前述操作过程中所设工艺条件满足纳米粉末维持固态；所述液体材料是指常温下为固体，通过加热转变成液体的材料，包括纯金属及合金，或指常温下为液体，通过加热转变成固体的材料，包括热固性高分子材料。

为了更好地实现本发明，可以先将纳米粉末压制成坯料，再将纳米粉末坯料置于容腔中，然后将液体材料浸渗进入纳米粉末坯料之中，最后将液体材料固化，即可制得纳米复合材料。

所述金属及合金选自铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铁及铁合金和钢、硅及硅合金、镍及镍合金、铅及铅合金、锡及锡合金、锌及锌合金、钛及钛合金、银及银合金中的任意一种；热固性高分子材料选自热固性树脂或热固性橡胶。

所述纳米粉末是指纳米金属粉末，它选自铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铁及铁合金和钢、硅及硅合金、镍及镍合金、铅及铅合金、锡及锡合金、锌及锌合金、钛及钛合金、银及银合金、钨及钨合金纳米粉末中的任意一种；还指纳米陶瓷粉末，它选自金属与氧、氮、碳、硼、硅形成的化合物，形成的化合物的金属是指铝、铜、镁、铁、硅、镍、铅、锡、锌、钛、银、钨，形成的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷纳米粉末中的任意一种；非金属纳米粉末是指石墨纳米粉末；还指纳米金属粉末、纳米陶瓷粉末、非金属纳米粉末之间的混合纳米粉末。纳米粉末在制备过程中保持为固态，其晶粒不熔化，也不发生再结晶，晶粒不会长大，当作为基体材料的液相凝固之后，纳米粉末均匀地分布在基体相中，从而制备获得纳米显微组织的复合材料。

为了更好地实现本发明，达到较好的制造效果，所有操作过程在真空环境内进行或将粉末及液体材料所在的容腔抽成真空。

为了更好地实现本发明，将压应力作用在液体上，将液体挤压使之浸渗进入纳米粉末之中。

由上述方法即可制得组织均匀、性能良好的复合材料。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明制得的复合材料的相粉末在基体材料中分布相对于粉末和半固态胶合材料共混法更加均匀，因而所制得的复合材料均匀性更好，性能更加稳定可靠。

2、本发明制得的纳米复合材料与粉末烧结材料相比，纳米粉末在材料制备过程中一直保持为固态，纳米粉末颗粒不会长大，可以获得细小均匀的纳米显微组织。所制备的材料应用范围广泛，市场前景好。

3、本发明方法制备的纳米复合材料显微组织特征具有良好的重复性。

4、本发明方法操作简单、方便，制造效率高，适合工业生产加工。

附图说明

图1是本发明纳米复合材料的制备过程中所使用的模具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明方法采用图1所示的模具，通过采用纳米磁性陶瓷粉末和金属液体为原料浸渗制备纳米磁性复合材料。由图1可见，所述模具包括阴模1、上阳模5、下阳模10、电热丝8、线圈9，下阳模10插入阴模1内形成模腔11，上阳模5与模腔11相对设置，可插入模腔11内使模腔11成一封闭空间，在阴模1内设置有电热丝8和冷却通道2，在阴模1外环绕有用于形成磁场的线圈9，在阴模1内还开有通孔，通孔分别连接抽真空管3和液体输入管7，连接抽真空管3的通孔内设置有抽真空控制阀4，连接液体输入管7的通孔内设置有液体输入控制阀6，抽真空管3与液体输入管7分别用于对模腔抽真空及输入液体材料。

实现本发明方法的具体步骤如下：首先给电热丝8通电将模具预热到180℃，然后把平均粒径为80nm的三氧化二铁磁性粉末输送入模腔11中，给线圈9通直流电，在线圈9内的空间中形成磁场，三氧化二铁磁性粉末在磁场的作用下实现磁极取向，并堆积在模腔11中，然后上阳模5下行，使上阳模5下表面与阴模1内壁及下阳模10上表面形成一封闭空间，接着打开阴模1上抽真空控制阀4，通过抽真空管3对模腔11抽真空，使模腔11内的真空度达到5Pa，然后打开阴模1上液体输入控制阀6，通过液体输入管7将过热温度达300℃呈熔化状态的金属锡液输入模腔11中的三氧化二铁磁性粉末之上，然后上阳模5下行将金属锡液挤压渗入三氧化二铁粉末之中，上阳模5在接近粉末时停止下行；由于上阳模5及下阳模10与阴模1滑动配合，锡液不会从上阳模5及下阳模10与阴模1滑动配合的接触面溢出；最后往冷却通道2内通入冷却水，使锡液冷却凝固之后，下阳模10将已成形的磁性粉末有取向地分布于锡基的磁性纳米复合材料卸出阴模1即完成本发明。

本实施例中可以用铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铁及铁合金和钢、硅及硅合金、镍及镍合金、铅及铅合金、锌及锌合金、钛及钛合金、银及银合金其中的任意一种代替锡，熔化金属的温度与相应的金属对应。

本实施例中可以用金属与氧、氮、碳、硼、硅形成的化合物代替三氧化二铁磁性粉末，形成的化合物的金属是指铝、铜、镁、铁、硅、镍、铅、锡、锌、钛、银、钨，形成的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷纳米粉末其中的任意一种；也可以采用石墨纳米粉末或混合纳米粉末；对于不具有磁性的粉末，则无需施加磁场使粉末取向，获得非磁性的具有纳米显微组织的复合材料。

实施例2

本实施例除下述过程外与实施例1相同：把平均粒径为80nm的三氧化二铁磁性粉末压制成圆柱体坯料之后置于模腔11中。

实施例3

本实施例仍采用实施例1所述的模具来实现，通过采用纳米金属粉末和热固性高分子材料为原料浸渗制备纳米复合材料，这种纳米复合材料在应力作用时，材料的电阻率可发生变化。实现本发明方法的具体步骤如下：打开阴模1上液体输入控制阀6，通过液体输入管7往模腔11内输入N-200型树脂液体，再将平均粒径为100nm的铜粉输送入模腔11中，铜粉位于N-200型树脂液体上面，然后上阳模5下行，使上阳模5下表面与阴模1内壁及下阳模10上表面形成一封闭空间，接着打开阴模1上抽真空控制阀4，通过抽真空管3对模腔11抽真空，使模腔11内的真空度达到5Pa，接着下阳模10上行，挤压模腔11中的N-200型树脂液体，在压应力的作用下使N-200型树脂液体浸渗进入上面的铜粉中，当下阳模10达到设定的位置之后，保持压力的同时，模具上的电热丝8通电将模腔11中的材料加热至90℃，并保温15分钟，使渗入铜粉中的N-200型树脂浸渗液体凝固，最后上阳模5上行脱出阴模1，下阳模10将模腔11中已固化的纳米铜粉相互接触并均匀分布于N-200型树脂(绝缘基体材料)的半导体复合材料卸出阴模，从而获得弹性良好的高分子半导体纳米复合材料。

本实施例中可以用铝及铝合金、镁及镁合金、铁及铁合金和钢、镍及镍合金、铅及铅合金、锡及锡合金、锌及锌合金、钛及钛合金、银及银合金、钨及钨合金的粉末，其中的任意一种代替纳米铜粉末。

实施例4

本实施例除下述过程外与实施例1相同：将铝合金加热到720℃熔化之后浸渗进入纳米三氧化二铝陶瓷粉末之中，无需施加磁场使粉末取向。

实施例5

本实施例除下述过程外与实施例1相同：将铝合金加热到720℃熔化之后浸渗进入纳米石墨粉末和纳米三氧化二铝陶瓷粉末的混合粉末之中，无需施加磁场使粉末取向。

实施例6

本实施例除下述过程外与实施例1相同：在保护性气氛条件下将镁铝合金加热到720℃熔化之后浸渗进入纳米石墨粉末和纳米三氧化二铝陶瓷粉末的混合粉末之中，无需施加磁场使粉末取向。

Claims

1、浸渗制备纳米复合材料的方法，其特征在于包括下述步骤：先将液体材料浸渗进入纳米粉末之间，再将液体材料固化，即制得纳米复合材料；在前述操作过程中所设工艺条件满足纳米粉末维持固态；所述液体材料是指常温下为固体，通过加热转变成液体的材料，包括纯金属及合金，或指常温下为液体，通过加热转变成固体的材料，包括热固性高分子材料。

2、根据权利要求1所述的浸渗制备纳米复合材料的方法，其特征在于：先将纳米粉末压制成坯料，再将纳米粉末坯料置于容腔中，然后将液体材料浸渗进入纳米粉末坯料之中，最后将液体材料固化，即可制得纳米复合材料。

3、根据权利要求1所述的浸渗制备纳米复合材料的方法，其特征在于：所述金属及合金选自铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铁及铁合金和钢、硅及硅合金、镍及镍合金、铅及铅合金、锡及锡合金、锌及锌合金、钛及钛合金、银及银合金中的任意一种；热固性高分子材料选自热固性树脂或热固性橡胶。

4、根据权利要求1或2所述的浸渗制备纳米复合材料的方法，其特征在于：所述纳米粉末是指纳米金属粉末，它选自铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铁及铁合金和钢、硅及硅合金、镍及镍合金、铅及铅合金、锡及锡合金、锌及锌合金、钛及钛合金、银及银合金、钨及钨合金纳米粉末中的任意一种；还指纳米陶瓷粉末，它选自金属与氧、氮、碳、硼、硅形成的化合物，形成的化合物的金属是指铝、铜、镁、铁、硅、镍、铅、锡、锌、钛、银、钨，形成的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷纳米粉末中的任意一种；非金属纳米粉末是指石墨纳米粉末；还指纳米金属粉末、纳米陶瓷粉末、非金属纳米粉末之间的混合纳米粉末。

5、根据权利要求1或2所述的浸渗制备纳米复合材料的方法，其特征在于：所有操作过程在真空环境内进行或将粉末及液体材料所在的容腔抽成真空。

6、根据权利要求1或2所述的浸渗制备纳米复合材料的方法，其特征在于：将压应力作用在液体上，将液体挤压使之浸渗进入纳米粉末之中。