CN1676242A

CN1676242A - 网络陶瓷骨架增强金属基复合材料的制备方法及其装置

Info

Publication number: CN1676242A
Application number: CN 200510042422
Authority: CN
Inventors: 耿浩然; 王守仁; 崔峰; 杜硕
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: CN1313229C

Abstract

本发明涉及一种网络结构陶瓷骨架增强金属基复合材料制备方法及其装置。制备方法具体步聚如下：选取一定量的陶瓷粉料和助剂，球磨混合均匀，与50～80wt％的粘结剂混合制成浆料；取具有贯通孔的网状海绵为前驱体，浸浆；对上述浸好浆料的海绵进行烧结固化；浇注金属液。本发明制备方法的装置，由加压系统、负压系统、加热系统、浸渗系统和控制系统组成。本发明的制备方法，形成了一种具有高耐磨性和断裂强度、良好导热和导电性、良好塑韧性、尺寸较稳定的新型金属基复合材料；制备的复合材料的陶瓷含量高达10％～30％。本发明的装置，具有操作简单，适合于批量化、产业化和多品种生产。

Description

网络陶瓷骨架增强金属基复合材料的制备方法及其装置

一、技术领域

本发明涉及一种陶瓷增强金属基的复合材料的制备方法，特别涉及到一种网络结构陶瓷骨架增强金属基复合材料制备方法及其装置。

二、背景技术

金属基复合材料的增强方式有颗粒、晶须及纤维增强等几种形式，陶瓷颗粒增强相加入方式主要有搅拌外加法和原位自生法。陶瓷具有较高的硬度和脆性、小的线膨胀系数，而金属具有较高的塑韧性、导热性和导电性。因此，陶瓷相/金属基复合材料兼有两者的优点，是有发展前途的一类新材料，但是由于陶瓷与金属的不润湿性，界面结合强度低，原位自生法制备的陶瓷颗粒含量一般不超过8％，利用搅拌外加法很难使较大数量的陶瓷相在金属基体中均匀地分布，其制备工艺复杂，材料性能也受到不利的影响。

三、发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种复合材料的制备方法，首先制备三维连续交叉、相互缠结和盘绕、互相贯穿和渗透的网络拓扑陶瓷空间结构，再与液态金属融合，形成一种具有高耐磨性和断裂强度、良好导热和导电性、良好塑韧性、尺寸较稳定的新型金属基复合材料，其复合材料的陶瓷含量高达10％～30％。

本发明还提供了上述制备方法的专用制备装置，本装置具有操作简单，适合于批量化、产业化和多品种生产。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明公开了一种网络陶瓷骨架增强金属基复合材料的制备方法，具体步聚如下：

1)选取一定量的陶瓷粉料和助剂，球磨混合均匀，与粘结剂混合制成浆料；取具有贯通孔的网状海绵为前驱体，浸入浆料中，反复挤压，使浆料充分浸满网络孔隙，并均匀附着在网状海绵的孔筋上；

2)对上述浸好浆料的海绵进行烧结固化，制成网状结构多孔陶瓷骨架；

3)将上述多孔陶瓷骨架放入模具中，浇注熔化好并经过除渣除气的金属液于模具中，保温，冷却后脱模。

本发明的制备方法，为了进一步提高陶瓷骨架的空隙率，将浸浆后的海绵放入旋转多孔圆筒中，甩掉多余的堵孔浆料，使浆料均匀附着在网状海绵的孔筋上。

本发明的制备方法，为了使金属液快速并完全地浸渗到陶瓷骨架的孔隙中，在金属液保温时，金属液上方加压0.5～60MPa、金属液下方抽真空为10^-1～10^-2Pa。

本发明的制备方法中，所述的陶瓷粉料最好为粒度为100目～300目的Al₂O₃、Si₃N₄、SiC或AlN的至少一种；所述的助剂最好为：粒度为100目～300目0～10wt％Al₂O₃和/或0～10wt％ZrO₂，粒度为100目～300目0～10wt％Al粉和/或0-10wt％Ti粉，0.1～0.5wt％钙基膨润土和0.1～0.5wt％羧甲基纤维素；所述的粘结剂最好为含SiO₂20～50wt％的硅溶胶，加入量为50～80wt％。

本发明的制备方法，所述的金属最好为Mg、Al、Cu、Zn或以其为基的合金，以防止与陶瓷材料发生反应或界面结合不好。

本发明的制备方法，所述的网状海绵最好为聚氨酯海绵，孔径为2～6毫米。上述聚氨酯海绵的孔筋具有高弹性和强度，压缩后能迅速回弹。

本发明制备方法的装置，由加压系统、负压系统、加热系统、浸渗系统和控制系统组成。

本发明的装置，所述的加压系统由压头、油缸、远程调压阀、压力表，油路系统组成；所述的负压系统由电机、真空泵、压力表、真空室和气路组成；所述的加热系统由加热元件、保温部件、绝缘部件组成；所述的浸渗系统由水冷系统、上端盖、模具、绝缘耐火层、加热体、保温层、下端盖组成；所述的控制系统由可控电源、电压调节器、电流调节器、微机精密控制仪、手动开关构成。

本发明的装置，为了制备不同尺寸的产品，所述的模具为内腔可调式模具。

本发明选用Al₂O₃、Si₃N₄、SiC或AlN至少一种陶瓷粉料作为增强体。该类陶瓷是高熔点、高硬度、高弹性模量的材料，它具有稳定的化学特性，在1000℃以下不易氧化，不易与熔融的Mg、Al、Cu等金属反应，符合作为本发明材料增强相的要求。本发明采用了有机前驱体浸渍烧蚀法制备预制骨架，再浸渗金属液的方法，能够在无压及自然环境条件下成功完成浸渗，复合材料界面结合良好，增强相与基体润湿性较好，有轻微化学反应发生，结合强度高。可制得各种性能可调的，陶瓷含量达到10％～30％的金属基复合材料。该制备浸渗工艺简便，生产成本较低。

本发明设计采用了网络结构陶瓷骨架制备+金属液浸渗的二步法制备工艺。

本发明的详细制备工艺程序为：

选用粒度为200目大小的Al₂O₃、Si₃N₄、SiC或AlN陶瓷粉料的至少一种，并以此为基数，加入200目粒度的0～10wt％Al₂O₃和/或0～10wt％ZrO₂为烧结助剂，添加150～200目粒度的0～10wt％Al粉和/或0-10wt％Ti粉，用0.1～0.5％钙基膨润土和0.1～0.5％羧甲基纤维素为浆料稳定剂，混合球磨4h(Al₂O₃磨球，球料比为4∶1)，加入占磨料重量50～80％的硅溶胶(SiO₂浓度为30％)作为粘结剂。以具有贯通孔的网状聚氨酯海绵为前驱体，孔径为2～6毫米，孔筋应具有高弹性和强度，压缩后能迅速回弹。涂挂浆料前海绵用去离子水洗净并吹干。将聚氨酯海绵浸入浆料中，反复挤压，使浆料充分浸满网络孔隙，然后将其放入旋转多孔圆筒中，在离心力作用下，甩掉多余的堵孔浆料，使浆料均匀附着在网状聚氨酯海绵的孔筋上，以确保材料具有最高的通孔率和良好的强度。

陶瓷骨架烧结分两步进行。第一步烧结工艺为：从室温升到400℃，升温速度为50℃/小时，聚氨酯海绵在此阶段得到缓慢挥发，在硬化的陶瓷筋内及筋间形成孔隙，形成形貌与聚合物相对应的、具有高孔率(55～92％)的网络状多孔预制体骨架；第二步烧结工艺为：将试样从400℃升到800℃，升温速度为100℃/小时，保温1小时，再从800℃升温到1400℃，升温速度为200℃/小时，保温2小时，然后炉内冷却至室温，制成具有较高强度的网络状多孔预制体骨架。

金属液浸渗制备工艺程序为：

取适量的纯铝、铜、镁或锌材料或者它们的合金配料，放入黏土石墨或钢坩埚中，在电阻炉中加热到熔点以上80～200℃温度，保温10～30分钟。将浸渗成型模具内壁刷(40％釱白粉+20％石墨+40％水)涂料，烘干，将前期作好的陶瓷预制体放入模具中，预热至金属液要填充的温度并保温15分钟后。将经过除渣除气的要填充金属液浇入该模具中，同时在充型模腔下部可以进行抽气，保温10～40分钟，断电冷却，复合材料件凝固后，取出空冷至室温。

本发明还涉及到一种制备网络结构陶瓷骨架增强金属基复合材料的装置，该装置由加压系统、负压系统、加热系统、浸渗系统和控制系统组成。

上述加压系统可根据不同需要实现0-60MPa的压力，负压系统可根据不同需要提供0-10-2Pa的负压，控制系统的微机精密控制仪上安装了微机编程多段控温程序，根据工作需要，输入一定参数，可使整个系统精确微量控制电压、电流及温度的升降。

本发明采用网络结构陶瓷骨架为增强相，形成三维连续交叉、相互缠结和盘绕，互相贯穿和渗透的网络拓扑空间结构，再与液态金属融合，可以形成具有高耐磨性和断裂强度、良好导热和导电性、良好塑韧性、尺寸较稳定的新型金属基复合材料。该工艺扩大了金属基中陶瓷增强相的加入范围，使材料性能调整的余地增大，拓宽了金属基复合材料的应用范围，适合于批量生产和产业化。

研究表明，利用本发明的有机前驱体浸渍烧蚀法制备的、由Al₂O₃、Si₃N₄、SiC、AlN中至少一种陶瓷粉料制成的增强骨架具有特殊的空间网络拓扑结构，该骨架具有高的孔隙率和较高的抗压强度。再对该骨架无压浸渗铜、铝、镁、锌及其合金，从而凝固形成新的复合材料。该复合材料兼有陶瓷骨架和金属二者的特点，具有重量轻、高比模量、高比强度、耐磨损、耐疲劳、热胀系数低等显著特点，在航天航空、汽车、电子、光学、机械制造等工业领域将有广阔的应用前景。

本发明的制备方法，采用三维连续交叉、相互缠结和盘绕、互相贯穿和渗透的网络拓扑陶瓷材料，与液态金属融合，形成了一种具有高耐磨性和断裂强度、良好导热和导电性、良好塑韧性、尺寸较稳定的新型金属基复合材料；该制备方法工艺简便，生产成本较低；制备的复合材料的陶瓷含量高达10％～30％。

本发明的装置，具有操作简单，适合于批量化、产业化和多品种生产。

四、附图说明

图1本发明的浸渗装置剖面示意图。

图2本发明的复合材料浸渗时的结构示意图。

图3为本发明的装置示意图。

图中，1螺孔，2水冷系统，3上端盖，4模具，5绝缘耐火层，6加热体，7保温层，8下端盖，9金属液，10陶瓷骨架，11加压系统，12加热系统，13负压系统。

五、具体实施方式

实施例1：Si₃N₄/Al复合材料的制备

本实施例的制备装置如图1-图3所示。该装置由加压系统11、负压系统13、加热系统12、浸渗系统和控制系统组成。

加压系统：由压头、油缸、远程调压阀、压力表，油路系统，可根据不同需要实现0-60MPa的压力。

负压系统：由电机、真空泵、压力表、真空室和气路组成，可根据不同需要提供0-10-2Pa的负压。

加热系统：由加热元件、保温部件、绝缘部件组成。

浸渗系统：由螺孔1、水冷系统2、上端盖3、模具4、绝缘耐火层5、加热体6、保温层7、下端盖8组成。模具4的内腔可调，以适应不同尺寸的制品。

控制系统：由可控电源、电压调节器、电流调节器、微机精密控制仪、手动开关构成；微机精密控制仪上安装了微机编程多段控温程序，根据工作需要，输入一定参数，可使整个系统精确微量控制电压、电流及温度的升降。

本实施例的制备方法为：

Si₃N₄陶瓷结构增强预制体制备：用200目尺寸的高纯度β-Si₃N₄粉料为主要原料，并以β-Si₃N₄为基数，加入200目粒度的5wt％A1₂O₃和5wt％ZrO₂作为烧结助剂，添加200目粒度的5wt％Al粉和5wt％Ti粉，用1％钙基膨润土和1％羧甲基纤维素为浆料稳定剂，混合球磨4小时(Al₂O₃磨球，球料比为4∶1)，加入占磨料重量50％的硅溶胶(SiO₂浓度为30％)作为粘结剂。以具有贯通的孔网状聚氨酯海绵为前驱体，孔径为5毫米。涂挂浆料前海绵须用去离子水洗净然后吹干。将尺寸为Φ30×100毫米的聚氨酯海绵浸入浆料中，反复挤压，使浆料充分浸满网络孔隙，然后将其放入旋转多孔圆筒中，甩掉多余的堵孔浆料，使浆料均匀附着在网状聚氨酯海绵的孔筋上。

Si₃N₄陶瓷结构增强预制体第一步烧结工艺为：从室温升到400℃，升温速度为50℃/小时，聚氨酯海绵在此阶段得到缓慢挥发，在硬化的陶瓷筋内及筋间形成孔隙；第二步烧结工艺为：将试样从400℃升到800℃，升温速度为100℃/小时，保温1小时，再从800℃升温到1400℃，升温速度为200℃/小时，保温2小时，然后炉内冷却至室温。

铝液浸渗工艺：取纯铝300克，放入坩埚中，在井式电阻炉中加热到840℃，保温30分钟。将浸渗成型模具内壁刷涂料(40％釱白粉+20％石墨+40％水)，烘干，将前期作好的陶瓷预制体放入模具中，底部加开孔石棉墊和铜网，固定，升温到840℃，保温30分钟。将铝液浇入模具中，保温30分钟，断电，待工件冷却凝固后，取出空冷至室温。

本例材料可获得成分为：15Si₃N₄％、余为Al及其它不可避免的杂质的复合材料。试样的抗拉强度(σ_b)150MPa，冲击韧性(a_k)3.2J/cm²，弹性模量85GPa，抗弯强度192MPa，磨损率5.2×10^-12mm³/N.cm，线膨胀系数11.5×10^-6(20～100℃)。

实施例2：Si₃N₄/Mg复合材料的制备

装置与实施例1基本相同。

其制备方法为：

Si₃N₄陶瓷结构增强骨架制备：采用与实施例1相同的生产工艺制备出Si₃N₄骨架。

镁液浸渗工艺：取纯镁300克，加入3克的3％Be～Al中间合金，放入钢坩埚中，在井式电阻炉(SG-3-10)中加热熔化到750℃，升温速度为250℃/小时，保温30分钟。将模具内壁刷涂料(40％釱白粉+20％石墨+40％水)，烘干，将前期作好的陶瓷预制体放入模具中，底部加开孔石棉墊和铜网，固定，升温到750℃，保温30分钟，将750℃温度下熔炼好的镁液扒渣，浇入到浸渗成型模具中，同时在充型模腔下部进行抽气至10^-1Pa，保温20分钟，断电，待工件冷却凝固后，取出空冷至室温。

本例材料可获得成分为：15Si₃N₄％、1％Al、0.02Be％、余为Mg及其它不可避免的杂质的复合材料。试样的抗拉强度(σ_b)142MPa，冲击韧性(a_k)3.4J/cm²，，弹性模量65GPa，抗弯强度142MPa，磨损率6.8×10^-12mm³/N.cm，线膨胀系数15.2×10^-6(20～100℃)。

Claims

1.一种网络陶瓷骨架增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：具体步聚如下，

2)上述浸好浆料的海绵绕结固化，制成网状结构多孔陶瓷骨架；

3)上述多孔陶瓷骨架放入模具中，将熔化好并经过除渣除气的金属液倒入模具中，保温，冷却后脱模。、

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：将浸浆后的海绵放入旋转多孔圆筒中，甩掉多余的堵孔浆料，使浆料均匀附着在网状海绵的孔筋上。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：金属液保温时，金属液上方加压0.5～60MPa、金属液下方抽真空为0～10-2Pa。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷粉料为粒度为100目～300目的Al₂O₃、Si₃N₄、SiC或AlN的至少一种；所述的助剂为：粒度为100目～300目0～10wt％Al₂O₃和/或0～10wt％ZrO₂，粒度为100目～300目0～10wt％Al粉和/或0-10wt％Ti粉，0.1～0.5wt％钙基膨润土和0.1～0.5wt％羧甲基纤维素；所述的粘结剂为含SiO₂20～50wt％的硅溶胶，加入量为50～80wt％。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述的金属为Mg、Al、Cu、Zn或其合金。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述的网状海绵为聚氨酯海绵，孔径为2～6毫米。

7.一种权利要求1所述制备方法的装置，其特征在于：由加压系统、负压系统、加热系统、浸渗系统和控制系统组成。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的加压系统由压头、油缸、远程调压阀、压力表，油路系统组成；所述的负压系统由电机、真空泵、压力表、真空室和气路组成；所述的加热系统由加热元件、保温部件、绝缘部件组成；所述的浸渗系统由水冷系统、上端盖、模具、绝缘耐火层、加热体、保温层、下端盖组成；所述的控制系统由可控电源、电压调节器、电流调节器、微机精密控制仪、手动开关构成。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的模具为内腔可调式模具。