專利名稱：低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種晶須增強鋁基復合材料的制備方法。
背景技術：
晶須增強鋁基復合材料是非連續增強鋁基復合材料中的姣姣者，具有成本低廉、 各向同性、力學性能優良和易加工變形等一系列優點，因而具有十分廣泛的應用前景。最初，多數科研工作者把研究重點放在了 SiC和Si3N4晶須增強的鋁基復合材料上。但是，昂貴的價格在很大程度上限制了鋁基復合材料廣泛的應用。硼酸鋁晶須于1989年在日本投入市場，由于其優異的性能價格比，倍受研究者的青睞。而且在國內硼酸鋁晶須可以利用鹽湖資源和海水淡化副產品合成，成本十分低廉，已經開始大批量生產。為此，深入開展硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的研究對于大規模應用鋁基復合材料具有重要的工程實際意義。經過二十年的努力，對硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備、力學性能、界面反應、腐蝕等方面進行大量研究。然而，在硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料中，界面潤濕性差、界面反應嚴重，顯著降低復合材料的性能，是復合材料研究領域的核心問題之一。界面優化的最有效方法是硼酸鋁晶須表面涂層，在實用化的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料中都使用了涂層技術。通過晶須涂層處理，復合材料的力學性能有了很大程度的提高。但當復合材料作為承載件使用時，除了對其強度、剛度、耐磨性等要求較高之外，塑性指標同樣是重要的材料參數。另外，塑性是復合材料高溫塑性成型的基礎，是制約復合材料成型的關鍵因素之一。遺憾的是，目前大多數晶須增強鋁基復合材料的塑性較低，最大者也僅相當于塑性最低的鑄造鋁合金的水平。制造鋁基復合材料的方法主要有粉末冶金，攪拌鑄造和擠壓鑄造等。粉末冶金方法可以制備低增強體體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料，但晶須在復合材料的分散性很難控制，另外，鋁合金粉末成本較高，而且冷壓或熱壓必須在真空或保護氣氛下進行。 攪拌鑄造是一種制備低增強體體積分數的顆粒增強鋁基復合材料的好方法，但我們前期的試驗研究表明，由于硼酸鋁晶須具有較小的尺寸(直徑0. 5-1 μ m,長度10-30 μ m)、較大的比表面積，通過攪拌鑄造的方法不能將硼酸鋁晶須攪進鋁液中。擠壓鑄造工藝過程簡單，復合材料的空洞率低，可以完成凈成型的復合材料制備。雖然晶須體積分數可調范圍小，但通過晶須表面涂覆和改進預制件制備工藝，可以制備出低增強體體積分數、高強度的預制件， 并通過優化擠壓鑄造工藝，可以實現低增強體體積分數硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備，從而達到提高復合材料塑性的目的。目前還無這方面的報道。

發明內容
本發明要解決現有硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料存在塑性低的技術問題，而提供了低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法。本發明中低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法是按下述步驟進行的一、硝酸鋅和檸檬酸加入蒸餾水中，硝酸鋅和檸檬酸的摩爾比為1 1，蒸餾水的質量是硝酸鉻和檸檬酸總質量的50 200倍，然后在80 100°C條件下磁力攪拌加熱回流 1 2h，制得透明的ZnO溶膠；二、將硼酸鋁晶須加入步驟一獲得的ZnO溶膠中，硼酸鋁晶須的質量是ZnO溶膠中ZnO質量的5 20倍，然后超聲波分散，再烘干；三、將經步驟二處理的硼酸鋁晶須放入400 600°C環境中焙燒1 池，然后放入水中超聲波分散1 池；四、 將經步驟三處理的硼酸鋁晶須加入80 90°C濃度為0. 05 0. 2kg/L的大豆漿液中并攪拌均勻，每Ikg硼酸鋁晶須加入5 IOL大豆漿液，然后加入凝固劑，再用模壓成型的方法制備預制件，然后室溫干燥，以1 ；TC /min速率升溫至900 1000°C (升溫過程中燒掉大豆蛋白質填充物)，保溫焙燒1 2h，隨爐冷卻至室溫，并利用高溫下ZnO和硼酸鋁晶須發生反應，從而制備出低體積分數、高強度的ZnAl2O4涂覆硼酸鋁晶須預制件；五、將預制件放入模具中，然后在500 600°C條件下預熱預制件及模具，再向模具中澆注熔融態的鋁合金，其中預制件占鋁基復合材料總體積的10 20%，再在20MI^壓力下進行初步擠壓，而后增大壓力至IOOMPa并保壓3min，制得低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料。本發明制備的鋁基復合材料室溫下拉伸的塑性大幅提高，與單純硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料相比，同等情況下鋁基復合材料的拉伸強度隨硼酸鋁晶須體積分數的降低， 先增加后降低，延伸率顯著提高約1. 9 2. 7倍。


圖1是低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料與(體積分數為25% )硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的對比試驗結果。圖2是具體實施方式
二十中原始態的硼酸鋁晶須的掃描電鏡圖；圖3是具體實施方式
二十中步驟三制成的ZnAl2O4涂覆的硼酸鋁晶須的掃描電鏡形貌圖；圖4是具體實施方式
二十中步驟三制成的ZnAl2O4涂覆的硼酸鋁晶須的X射線譜圖，圖4中“ ”衍射峰為ZnAl2O40
具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式中低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法是按下述步驟進行的一、硝酸鋅和檸檬酸加入蒸餾水中，硝酸鋅和檸檬酸的摩爾比為1 1，蒸餾水的質量是硝酸鉻和檸檬酸總質量的50 200倍，然后在80 100°C條件下磁力攪拌加熱回流1 池，制得透明的ZnO溶膠；二、將硼酸鋁晶須加入步驟一獲得的ZnO 溶膠中，硼酸鋁晶須的質量是ZnO溶膠中ZnO質量的5 20倍，然后超聲波分散，再烘干； 三、將經步驟二處理的硼酸鋁晶須放入400 600°C環境中焙燒1 池，然后放入水中超聲波分散1 ；四、將經步驟三處理的硼酸鋁晶須加入80 90°C濃度為0. 05 0. 2kg/L的大豆漿液中并攪拌均勻，每Ikg硼酸鋁晶須加入5 IOL大豆漿液，然后加入凝固劑，再用模壓成型的方法制備預制件，然后室溫干燥，以1 ;TC /min速率升溫至900 1000°C (升溫過程中燒掉大豆蛋白質填充物)，保溫焙燒1 2h，隨爐冷卻至室溫，并利用高溫下ZnO 和硼酸鋁晶須發生反應，從而最終制備出低體積分數、高強度的ZnAl2O4涂覆硼酸鋁晶須預制件；五、將預制件放入模具中，然后在500 600°C條件下預熱預制件及模具，再向模具中澆注熔融態的鋁合金，其中預制件占鋁基復合材料總體積的10 20%，再在20MI^壓力下進行初步擠壓，而后增大壓力至IOOMPa并保壓3min，制得低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料。本實施方式中復合材料延伸率顯著提高約1. 9 2. 7倍具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中蒸餾水的質量是硝酸鉻和檸檬酸總質量的60 150倍。其它步驟和參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中蒸餾水的質量是硝酸鉻和檸檬酸總質量的100倍。其它步驟和參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是在85 95°C 條件下磁力攪拌加熱回流。其它步驟和參數與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是在90°C條件下磁力攪拌加熱回流。其它步驟和參數與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟二中硼酸鋁晶須的質量是ZnO溶膠中ZnO質量的6 16倍。其它步驟和參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟二中硼酸鋁晶須的質量是ZnO溶膠中ZnO質量的10倍。其它步驟和參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟二中超聲波分散時間為1 池，超聲波功率為1000 2000W，超聲波頻率為50 80Hz。其它步驟和參數與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟三中將經步驟二處理的硼酸鋁晶須放入450 550°C環境中焙燒1. 2 1.證。其它步驟和參數與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟三中將經步驟二處理的硼酸鋁晶須放入500°C環境中焙燒。其它步驟和參數與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一至十之一不同的是步驟三中超聲波分散所需超聲波功率為1000 2000W，超聲波頻率為50 80Hz。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十之一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至十一之一不同的是步驟四大豆漿液制作過程將大豆經泡豆、磨漿、過濾和煮漿制成。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一至十二之一不同的是步驟四中凝固劑為硫酸鈣或氯化鎂。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十二之一相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
一至十三之一不同的是步驟四中升溫速率為1. 5 2. 5°C /min。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十三之一相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
一至十三之一不同的是步驟四中升溫速率為2. O0C /min。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十三之一相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
一至十五之一不同的是步驟四中所用大豆漿液的溫度為85°C。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十五相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同的是步驟四中在920 960°C保溫焙燒。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十六之一相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同的是步驟四中在950°C保溫焙燒。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十六之一相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施方式
一至十八之一不同的是步驟五中預制件占鋁基復合材料總體積的15%。其它步驟和參數與具體實施方式
一至十八之一相同。
具體實施方式
二十本實施方式中低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法是按下述步驟進行的一、硝酸鋅和檸檬酸加入蒸餾水中，硝酸鋅和檸檬酸的摩爾比為1 1，蒸餾水的質量是硝酸鉻和檸檬酸總質量的100倍，然后在90°C條件下磁力攪拌加熱回流1. 5h，制得透明的ZnO溶膠；二、將硼酸鋁晶須加入步驟一獲得的ZnO溶膠中，硼酸鋁晶須的質量是SiO溶膠中 ZnO質量的10倍，然后超聲波分散，再烘干；三、將經步驟二處理的硼酸鋁晶須放入500°C環境中焙燒1. 5h，然后放入水中超聲波分散ι ；四、將經步驟三處理的ZnO涂覆的硼酸鋁晶須加入85°C濃度為0. lkg/L大豆漿液中并攪拌均勻，其中每Ikg硼酸鋁晶須加入5L大豆漿液，然后加入凝固劑(其快速凝固)， 再用模壓成型的方法制備預制件，然后室溫干燥，以2V /min速率升溫至950°C (升溫過程中燒掉大豆蛋白質填充物)，保溫焙燒2. Oh,隨爐冷卻至室溫，并利用高溫下ZnO和硼酸鋁晶須發生反應，從而最終制備出低體積分數、高強度的ZnAl2O4涂覆硼酸鋁晶須預制件；五、將預制件放入模具中，然后在550°C條件下預熱預制件及模具，再向模具中澆注熔融態的鋁合金，再在20ΜΙ^壓力下進行初步擠壓，而后增大壓力至IOOMPa并保壓3min， 制得低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料。低體積分數硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料與(體積分數為25%)硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的對比試驗結果如圖1所示。隨著增強體體積分數的降低，復合材料的拉伸強度先增加后降低，變化幅度不大，但延伸率明顯增加。本實施方式所用的原始態硼酸鋁晶須形貌如圖2所示，本實施方式步驟三制成的 ZnAl2O4涂覆的硼酸鋁晶須形貌如圖3所示，步驟三制成的ZnAl2O4涂覆的硼酸鋁晶須的X 射線圖譜如圖4所示。觀察和分析圖3和圖4可以確定硼酸鋁晶須表面均勻分散的顆粒由 SiAl2O4 組成。
權利要求
1.低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法是按下述步驟進行的一、硝酸鋅和檸檬酸加入蒸餾水中，硝酸鋅和檸檬酸的摩爾比為1 1，蒸餾水的質量是硝酸鉻和檸檬酸總質量的50 200倍，然后在80 100°C條件下磁力攪拌加熱回流1 池，制得透明的ZnO溶膠；二、將硼酸鋁晶須加入步驟一獲得的ZnO溶膠中，硼酸鋁晶須的質量是ZnO溶膠中ZnO 質量的5 20倍，然后超聲波分散，再烘干；三、將經步驟二處理的硼酸鋁晶須放入400 600°C環境中焙燒1 池，然后放入水中超聲波分散1 ；四、將經步驟三處理的硼酸鋁晶須加入80 90°C濃度為0.05 0. 2kg/L的大豆漿液中并攪拌均勻，每Ikg硼酸鋁晶須加入5 IOL大豆漿液，然后加入凝固劑，再用模壓成型的方法制備預制件，然后室溫干燥，以1 ;TC /min速率升溫至900 1000°C，保溫焙燒 1 2h，隨爐冷卻至室溫，并利用高溫下ZnO和硼酸鋁晶須發生反應，從而最終制備出低體積分數、高強度的ZnAl2O4涂覆硼酸鋁晶須預制件；五、將預制件放入模具中，然后在500 600°C條件下預熱預制件及模具，再向模具中澆注熔融態的鋁合金，其中預制件占鋁基復合材料總體積的10 20%，再在20MI^壓力下進行初步擠壓，而后增大壓力至IOOMPa并保壓3min，制得低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料。
2.根據權利要求1所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于步驟二中硼酸鋁晶須的質量是ZnO溶膠中ZnO質量的6 16倍。
3.根據權利要求1所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于步驟二中硼酸鋁晶須的質量是ZnO溶膠中ZnO質量的10倍。
4.根據權利要求1、2或3所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于步驟二中超聲波分散時間為1 池，超聲波功率為1000 2000W，超聲波頻率為50 80Hz。
5.根據權利要求4所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法， 其特征在于步驟三中將經步驟二處理的硼酸鋁晶須放入450 550°C環境中焙燒.1. 2 1. 5h。
6.根據權利要求5所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于步驟三中超聲波分散所需超聲波功率為1000 2000W，超聲波頻率為50 80Hz。
7.根據權利要求6所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于步驟四大豆漿液制作過程將大豆經泡豆、磨漿、過濾和煮漿制成。
8.根據權利要求7所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于步驟四中凝固劑為硫酸鈣或氯化鎂。
9.根據權利要求8所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于步驟四中升溫速率為1. 5 2. 50C /min。
10.根據權利要求9所述的低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法， 其特征在于步驟五中預制件占鋁基復合材料總體積的15%。
全文摘要
低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的制備方法，它涉及一種晶須增強鋁基復合材料的制備方法。本發明要解決現有硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料存在塑性低的技術問題。本發明方法1.硝酸鋅和檸檬酸加入蒸餾水中，磁力攪拌加熱回流，得ZnO溶膠；2.將硼酸鋁晶須加入ZnO溶膠中，超聲波分散，烘干；3.焙燒得到ZnO涂覆的晶須，在水中超聲波分散；4.加入大豆漿液中并攪拌均勻，加凝固劑，模壓成型制備預制件，室溫干燥，以一定速率升溫，高溫焙燒，隨爐冷卻，制得預制件；5.將預制件放入模具中，預熱，澆注熔融態的鋁合金，擠壓，保壓，制得低體積分數的硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料。延伸率顯著提高約1.9～2.7倍。
文檔編號C22C49/14GK102296255SQ201110256440
公開日2011年12月28日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者俞澤民, 岳紅彥, 王麗萍, 郭二軍, 黃碩 申請人:哈爾濱理工大學