TWI414610B

TWI414610B - 鋁基複合材料的製備方法

Info

Publication number: TWI414610B
Application number: TW99110098A
Authority: TW
Inventors: Wen-Zhen Li; shi-ying Liu
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2013-11-11
Also published as: TW201134949A

Description

鋁基複合材料的製備方法

本發明涉及一種金屬基複合材料的製備方法，尤其涉及一種鋁基複合材料的製備方法。

金屬基複合材料具有重量輕，比強度高、比剛度高及耐磨性好等優異的物理性能及力學性能，將在航空航天、軍事領域及汽車等行業越來越得到廣泛的應用。其中顆粒增強金屬基複合材料具有成本低，製備工藝簡單等特點，已經逐漸成為國內外金屬基複合材料領域的研究重點。

鋁基複合材料具有高的比強度、比剛度、比彈性模量，同時還具有較好的耐磨、耐高溫性能，因此受到了廣泛的關注。常用的顆粒增強鋁基複合材料製備技術有粉末冶金法及鑄造法兩種工藝。但粉末冶金法的工藝設備複雜、成本偏高，不易製備大體積及形狀複雜的零件。而且在生產過程中存在粉末燃燒及爆炸等危險。鑄造法工藝簡單，操作方便，可以生產大體積的複合材料(可到達500kg)，設備投入少，生產成本低，適宜大規模生產。

顆粒增強鋁基複合材料的性能與增強顆粒的尺寸有很大關係，廣泛使用的顆粒大都在3μm至30μm之間。研究表明，增強顆粒尺寸越小，則增強效果越好，這是因為小顆粒不僅自身很少存在結構缺陷，而且其周圍還具有更高的熱錯配位元錯密度。奈米顆粒對鋁基金屬表現出良好的強化作用，但因細小顆粒易於團聚，因而使其增強效果大為降低。因此，解決奈米顆粒在鋁基複合材料的分散問題成為鋁基複合材料研究的重點。

高能超聲法係一種將奈米顆粒分散至鋁合金熔體的有效方法。高能超聲法的原理係利用超聲波在鋁合金熔體中產生的聲空化效應及聲流效應所引起的力學效應中的攪拌、分散、除氣等來促進奈米顆粒混入鋁合金熔體，改善奈米顆粒與鋁合金熔體間的潤濕性，迫使奈米顆粒在鋁合金熔體中均勻分散。高能超聲法係一種工藝簡便、成本低廉的顆粒增強鋁基複合材料的製備方法。然而高能超聲法為一種微觀的分散方法，因此在分散過程中碳化矽奈米顆粒易浮在鋁合金的表面，不易均勻分散至整個鋁合金中。最終得到的鋁基複合材料中碳化矽顆粒整體上分散不均勻，部份區域碳化矽顆粒密度較大，部份區域碳化矽顆粒密度較小，難以達到一種宏觀的均勻分散。

有鑒於此，提供一種奈米顆粒均勻分散地鋁基複合材料的製備方法實為必要。

本發明提供一種鋁基複合材料的製備方法，其包括以下步驟：提供一半固態的鋁基金屬；攪拌上述半固態鋁基金屬，並加入奈米顆粒，得到半固態混合漿料；將上述半固態混合漿料升溫至液態得到液態的混合漿料；高能超聲處理該液態的混合漿料；冷卻該液態的混合漿料，得到一鋁基複合材料。

相較於先前技術，本發明提供的鋁基複合材料的製備方法中將奈米顆粒加入半固態鋁合金，並攪拌半固態鋁合金，鋁合金在半固態下黏度較大，利用攪拌作用產生的漩渦將奈米顆粒帶入到整個半固態鋁合金中得到鋁基複合材料，然後在液態下對鋁基複合材料施加高能超聲處理，以此將奈米顆粒均勻統一地分散到整個鋁基複合材料中。

請參閱圖1，本發明提供一種鋁基複合材料的製備方法，其包括以下步驟：

步驟S10，提供一半固態的鋁基金屬。

所述鋁基金屬的材料可為純鋁或鋁合金。所述鋁合金由鋁及其他金屬組成。所述其他金屬可為銅、矽、鎂、鋅、錳、鎳、鐵、鈦、鉻及鋰等元素中的一種或幾種組成。

所述半固態鋁基金屬的製備方法可為加熱固態的鋁基金屬的方法，其具體包括兩個方法，方法一，加熱固態的鋁基金屬直接至半固態得到半固態的鋁基金屬，方法二，先將固態的鋁基金屬加熱至液態，再降溫至半固態，從而得到半固態的鋁基金屬。方法一中所述半固態鋁基金屬的製備方法具體包括以下步驟：

步驟S101，提供一固態的鋁基金屬。該鋁基金屬可為純鋁顆粒、鋁合金顆粒或鋁合金鑄錠。所述鋁基金屬可置於一石墨陶土坩堝或不銹鋼容器中。

步驟S102，將鋁基金屬加熱至鋁基金屬的液相線和固相線之間的溫度從而得到半固態的鋁基金屬。所述加熱鋁基金屬的方法為採用一電阻爐加熱。所述電阻爐可採用坩堝電阻爐。可選擇地，在保護氣體的作用下加熱該鋁基金屬或在真空下加熱該鋁基金屬從而減輕鋁基金屬的氧化。所述保護氣體可為氬氣。若採用保護氣體，則該保護氣體可在後續的步驟中一直保持通入，直至步驟S60中鋁基複合材料被冷卻之前。

所述液相線和固相線的定義為:當合金(泛指任一合金)由液態開始冷卻時，會在某一個溫度開始形成固體晶體（但大部份為液體），隨著合金成分的變化，該溫度也會變化，因此形成一個相對合金成分變化的液相線。再繼續冷卻，就會在一個更低的溫度完全變成固體，隨著合金成分的變化，該溫度點也會變化，因此形成一個相對合金成分變化的曲線，即為固相線。

步驟S103，將所述鋁基金屬在半固態下保溫一段時間。保溫可使鋁基金屬完全處於半固態避免了鋁基金屬外部處於半固態，內部處於固態的情況出現。所述保溫時間為10分鐘至60分鐘。

方法二具體包括以下步驟：提供一鋁基金屬；將鋁基金屬加熱至比鋁基金屬的液相線高50°C以上的溫度使其完全熔化；降低鋁基金屬的溫度至鋁基金屬的液相線和固相線之間，從而得到半固態的鋁基金屬。通過將鋁基金屬加熱至比鋁基金屬的液相線高50°C以上的溫度可使鋁基金屬完全處於液態，之後降低鋁基金屬的溫度可使鋁基金屬全部處於半固態而避免鋁基金屬外部為半固態，內部為固態的情況出現。

步驟S20，攪拌上述半固態鋁基金屬，並加入奈米顆粒，得到半固態混合漿料。

所述攪拌半固態鋁基金屬的方法為強力攪拌。強力攪拌使奈米顆粒在鋁基金屬中宏觀均勻分散。所述強力攪拌的方法可為機械攪拌方法或電磁攪拌方法。所述電磁攪拌方法可通過一電磁攪拌器進行。所述機械攪拌則可採用一具有攪拌槳的裝置進行。所述攪拌槳可為雙層或三層的葉片式。所述攪拌槳的速度的範圍為200轉/分至500轉/分（r/min），攪拌時間為1分鐘至5分鐘。

所述奈米顆粒可為奈米陶瓷顆粒及奈米碳管，所述奈米陶瓷顆粒包括奈米碳化矽(SiC)顆粒、奈米氧化鋁(Al₂ O₃ )顆粒及奈米碳化硼(B₄ C)顆粒中的一種或幾種。奈米顆粒的粒徑為1.0奈米至100奈米，其中奈米碳管的外徑為10奈米至50奈米，長度為0.1微米至50微米。奈米顆粒的重量百分比為0.5%至5.0%。較少地加入奈米顆粒可避免奈米顆粒在鋁基金屬中團聚。因此，優選地所述奈米顆粒的重量百分比為0.5%至2.0%。為了提高奈米顆粒同鋁基金屬之間的潤濕性，在將奈米顆粒加入鋁基金屬之前，可將奈米顆粒預熱至300°C至350°C，以除去奈米顆粒表面吸附的水分。

所述奈米顆粒加入半固態鋁基金屬的時機為攪拌的過程中。所述奈米顆粒的加入方式優選地為連續少量緩慢加入，如此有利於奈米顆粒的分散，避免了大量奈米顆粒同時加入鋁基金屬造成奈米顆粒的團聚。本實施例中奈米顆粒採用送料管加入，所述送料管可為一鋼管。具體地還可採用一裝有奈米顆粒的漏斗，或者採用一具有複數個細孔的篩子，將奈米顆粒放置在篩子中，奈米顆粒從篩子的細孔中漏出，從而添加奈米顆粒至半固態鋁基金屬中。如此可使奈米顆粒連續少量緩慢地添加至鋁基金屬中，同時可使奈米顆粒的加入速度一致，有助於奈米顆粒均勻分散於鋁基金屬中。

半固態下鋁基金屬具有一定的柔軟度，奈米顆粒於半固態下加入鋁合金，可避免對奈米顆粒的損傷。另外，由於半固態下鋁基金屬之黏滯阻力比較大，因此，奈米顆粒分散進入鋁基金屬之後，奈米顆粒會被鋁基金屬桎梏於其中，不易上升或下沉，在攪拌形成的漩渦的帶動下使奈米顆粒分散至整個鋁基金屬中。由於機械攪拌方法或電磁攪拌方法為一種宏觀的分散方法，因此在步驟S20結束後，奈米顆粒在鋁基複合材料中宏觀上均勻分散。

步驟S30，將上述半固態混合漿料升溫至液態，得到液態之混合漿料。

將所述半固態混合漿料升溫至鋁基金屬的液相線以上從而得到液態之混合漿料。通過控制電阻爐之溫度使電阻爐內的鋁基金屬升溫至液態。升溫過程中，混合漿料中的奈米顆粒的分散狀況仍保持不變。

步驟S40，高能超聲處理所述液態之混合漿料。

高能超聲處理可使奈米顆粒在混合漿料中微觀程度上均勻分散。通過將高能超聲處理儀之變幅桿浸入到合金熔體中，浸入深度為20毫米至50毫米。高能超聲處理的頻率的範圍為介於15千赫茲至20千赫茲，最大輸出功率的範圍為介於1.4千瓦至4千瓦，處理時間的範圍為介於10分鐘至30分鐘，依據奈米顆粒的加入量而定，加入量多，則時間稍長，反之則稍短。

在液態下，混合漿料之黏滯阻力較小，流動性增強，此時對混合漿料施加超聲作用，聲空化效應及聲流效應較半固態下強烈。高能超聲分散可將液態的混合漿料中可能存在的團聚的奈米顆粒分散開從而使奈米顆粒統一均勻地分散在整個液態的混合漿料中實現微觀上均勻分散。此時無論係宏觀角度，還係微觀角度，奈米顆粒均在液態之混合漿料中均勻分散。

步驟S50，冷卻該液態之混合漿料，得到一鋁基複合材料。

所述冷卻液態之混合漿料的方法為隨爐冷卻、自然冷卻或將所述液態之混合漿料澆注至預熱的模具中並冷卻。所述澆注混合漿料至預熱的模具中並冷卻得到鋁基複合材料的方法包括以下步驟：S51，升高液態之混合漿料的溫度至澆注溫度；S52，提供一模具；S53，將所述混合漿料澆注至模具中；S54，冷卻所述模具及模具中的混合漿料。

在步驟S51中，澆注溫度即為澆注所述液態之混合漿料的溫度。所述澆注溫度應高於鋁基金屬的液相線所對應的溫度。所述澆注溫度的範圍為650°C至680°C。當所述混合漿料中含有較多的奈米顆粒時，混合漿料的黏度增大，也可適量的提高混合漿料的澆注溫度，從而增加混合漿料之流動性，使混合漿料易於澆注。

在步驟S52中，所述模具優選為金屬模具。所述模具可預先進行預熱，所述模具的預熱溫度為200°C至300°C。所述模具的預熱溫度可影響鋁基複合材料的性能。若模具的預熱溫度太低，則液態之混合漿料不能完全充滿所述模具，不能實現同步固化，容易有縮孔產生。若模具的預熱溫度太高，則鋁基複合材料的晶粒粗大，晶粒組織粗大進而使鋁基複合材料的性能下降。

舉以下實施例詳細說明本發明。

實施例一，製取SiC顆粒的重量百分比為0.5%的SiC/ADC12鋁基複合材料，其包括以下步驟：

提供ADC12鋁合金3千克；加熱該鋁合金至650°C使其完全熔化；降低鋁合金的溫度至550°C，保溫30分鐘使之成為半固態的鋁合金；對該半固態的鋁合金施加機械攪拌，攪拌速度為200轉/分至300轉/分，邊攪拌邊加入預熱至300°C的平均粒徑為40奈米的SiC顆粒得到半固態的混合漿料，加入時間為1分鐘；升高混合漿料的溫度至620°C得到液態之混合漿料；對該液態之混合漿料進行高能超聲處理，高能超聲處理的頻率為20千赫茲，最大輸出功率為1.4千瓦，超聲處理時間為10分鐘；升高混合漿料的溫度至650°C，將所述混合漿料澆注到210°C的金屬模具中，並冷卻製取0.5wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料。請參閱圖2，由圖中可看出，鋁基複合材料中分散有少量的SiC顆粒，且SiC顆粒分散均勻沒有團聚。相比於ADC12，0.5wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料的抗拉強度提高9.45%，彈性模量提高21.24%，韌性提高40%，硬度提高2.96%。

實施例二，製取1.0wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料，其包括以下步驟：

提供ADC12鋁合金3千克，在加熱爐中加熱該鋁合金至650°C；降低該鋁合金的溫度至550°C，並保溫30分鐘得到半固態之鋁合金；對該半固態之鋁合金施加機械攪拌，攪拌速度為200轉/分至300轉/分，邊攪拌邊加入預熱至300°C的奈米SiC顆粒得到半固態之混合漿料，加入時間為2分鐘；升溫至620°C得到液態之混合漿料；進行高能超聲處理15分鐘；升高混合漿料之溫度至660°C，將所述混合漿料澆注到210°C的金屬模具中，並冷卻得到1.0wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料。與ADC12鋁合金相比，1.0wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料的抗拉強度提高12%，彈性模量提高21.98%，韌性提高49%，硬度提高4.83%。

實施例三，製取1.5wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料，其包括以下步驟：

提供ADC12鋁合金3千克；加熱該鋁合金至650°C；降低鋁合金的溫度至580°C，保溫30分鐘使之成為半固態之鋁合金；對該鋁合金施加機械攪拌，攪拌速度為300轉/分至500轉/分，邊攪拌邊加入預熱至300°C的奈米SiC顆粒，加入時間為3分鐘，得到半固態之混合漿料；升高混合漿料的溫度至620°C得到液態之混合漿料，並進行高能超聲處理，高能超聲處理的頻率為20千赫茲，最大輸出功率為1.4千瓦，超聲處理時間為15分鐘；升高混合漿料之溫度至670°C，將所述混合漿料澆注到210°C的金屬模具中，並冷卻得到1.5wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料。請參閱圖3，由圖中可看出，SiC顆粒在鋁基複合材料中均勻分散且沒有團聚。與ADC12鋁合金相比，1.5wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料的抗拉強度提高14.33%，彈性模量提高32.45%，韌性提高98.04%，硬度提高6.10%。

實施例四，製取2.0wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料，其包括以下步驟：

提供ADC12鋁合金3千克；在氬氣做為保護氣體下加熱該鋁合金至650°C；降低鋁合金的溫度至550°C，保溫30分鐘使之成為半固態之鋁合金；對該半固態鋁合金施加機械攪拌，攪拌速度為300轉/分至500轉/分，邊攪拌邊加入預熱至300°C的奈米SiC顆粒，加入時間為5分鐘，得到半固態混合漿料；升高混合漿料之溫度至620°C得到液態之混合漿料，並進行高能超聲處理，高能超聲處理的頻率為20千赫茲，最大輸出功率為1.4千瓦，超聲處理時間為15分鐘；升高混合漿料的溫度至680°C，將所述混合漿料澆注到210°C的金屬模具中，並冷卻得到2.0wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料。請參閱圖4，由圖中可看出，SiC顆粒在鋁基複合材料中均勻分散且沒有團聚。與ADC12鋁合金相比，2.0wt.%的SiC/ADC12鋁基複合材料的抗拉強度提高22.87%，彈性模量提高43.1%，韌性提高155.88%，硬度提高7.38%。

本發明提供的鋁基複合材料的製備方法中將奈米顆粒加入半固態鋁合金，並攪拌半固態鋁合金，鋁合金在半固態下黏度較大，利用攪拌作用產生的漩渦將奈米顆粒帶入到整個半固態鋁合金得到鋁基複合材料，然後在液態下對鋁基複合材料施加高能超聲處理，以此將奈米顆粒均勻統一地分散到整個鋁基複合材料中。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

無

圖1係本發明提供的鋁基複合材料的製備方法的流程圖。

圖2係本發明提供的重量百分比為0.5%的SiC/ADC12鋁基複合材料的掃描電鏡圖片。

圖3係本發明提供的重量百分比為1.5%的SiC/ADC12鋁基複合材料的透射電鏡圖片。

圖4係本發明提供的重量百分比為2.0%的SiC/ADC12鋁基複合材料的掃描電鏡圖片。

Claims

一種鋁基複合材料的製備方法，其包括以下步驟：
提供一半固態之鋁基金屬；
攪拌上述半固態鋁基金屬，並加入奈米顆粒，得到半固態
混合漿料；
將上述半固態混合漿料升溫至液態得到液態之混合漿料；
高能超聲處理該液態之混合漿料；
冷卻該液態之混合漿料，得到一鋁基複合材料。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述半固態鋁基金屬的製備方法為：提供一鋁
基金屬；加熱鋁基金屬至鋁基金屬的液相線和固相線之間
的溫度從而得到半固態的鋁基金屬；將所述鋁基金屬在半
固態下保溫一段時間。
如申請專利範圍第2項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述加熱鋁基金屬得到半固態的鋁基金屬的方
法具體包括：將鋁基金屬加熱至比鋁基金屬的液相線高
50°C以上的溫度使鋁基金屬完全熔化；降低鋁基金屬的
溫度至鋁基金屬的液相線和固相線之間，從而得到半固態
的鋁基金屬。
如申請專利範圍第2項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述加熱鋁基金屬的過程為在保護氣體作用下
進行或者在真空下進行，所述保護氣體為惰性氣體。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述奈米顆粒包括奈米碳化矽顆粒、奈米氧化
鋁顆粒、奈米碳化硼顆粒及奈米碳管中的一種或幾種。
如申請專利範圍第5項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述奈米碳管的外徑為10奈米至50奈米，長
度為0.1微米至50微米。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述奈米顆粒的粒徑為1.0奈米至100奈米。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，奈米顆粒的重量百分比為0.5%至2.0%。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述攪拌半固態鋁基金屬的方法包括機械攪拌
方法或電磁攪拌方法。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述高能超聲處理的頻率係15千赫茲至20千
赫茲。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述高能超聲處理的最大輸出功率為1.4千瓦
至4千瓦。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述高能超聲處理的處理時間為10分鐘至
30分鐘。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述冷卻該液態的混合漿料的方法具體為將所
述液態的混合漿料注入一模具中並冷卻，所述將液態的混
合漿料注入一模具中並冷卻的方法具體包括以下步驟：升
高液態的混合漿料的溫度至澆注溫度；提供一模具；將所
述混合漿料澆注至模具中；冷卻所述模具及模具中的混合
漿料。
如申請專利範圍第13項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述模具在使用之前進行預熱，所述模具的預
熱溫度為200°C至300°C。
如申請專利範圍第13項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述澆注溫度的範圍為650°C至680°C。
如申請專利範圍第1項所述之鋁基複合材料的製備方
法，其中，所述加入奈米顆粒的方法為連續加入，且加入
速度一致。