ZnWO₄涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法

专利名称：ZnWO₄涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于铝基复合材料领域；具体涉及ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
在空间环境中，空间高能电子与空间飞行器第一壁材料产生大量的韧致X射线辐射，造成半导体芯片的剂量增强效应导致失效，同时对于空间飞行器内的生命体造成损害。 另外，在核爆发生时，核爆反应产生的大量Y射线，这类射线同样对战略核武器中大量的精密控制器件造成剂量增强效应，导致失效。空间飞行器和战略核武器都对材料要求轻量化、结构功能一体化。为了防止或减少空间高能光子(X和Y射线)对空间飞行器和战略核武器的半导体器件的损害，研究具有高比强度、高比刚度和良好辐射防护功能的铝基复合材料的要求日益迫切。目前一些研究机构先后开展了以WO3及PbO等氧化物为辐射防护功能相，以硼酸铝晶须为结构强化相的具有辐射防护功能铝基复合材料的制备、组织表征与性能方面的系统研究工作。前期研究结果发现，这一类复合材料存在三方面明显问题1、氧化物与基体反应，产生孔洞较多，恶化材料力学性能。2、氧化物颗粒在制得的复合材料中出现分层现象， 降低复合材料组织性能均一性；3、硼酸铝晶须与铝基体界面润湿性较差，降低了晶须载荷传递能力。综上，现有辐射防护功能铝基复合材料虽然能满足辐射防护性能的要求，但由于上述问题的存在，严重地制约了复合材料的应用。

发明内容
本发明要解决现有硼酸铝晶须与铝基体存在界面润湿性较差、易分层，与铝基体反应降低力学性能的技术问题；而提供了 ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法。ZnffO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料由钨酸锌(ZnWO4)、硼酸铝晶须和铝基体制成的，其中硼酸铝晶须占ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料总体积分数的10% 40%, ZnffO4的质量是硼酸铝晶须质量的2% 100%。ZnffO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的步骤一、按硼酸铝晶须与蒸馏水的质量比为1 30将硼酸铝晶须加入到蒸馏水中，超声分散，得到硼酸铝晶须的悬浊液；步骤二、配制等摩尔浓度的硝酸锌(Zn(NO3)2)溶液与钨酸钠(Na2WO4)溶液，然后在180转/分的搅拌速度及超声条件下按生成的钨酸锌质量占陶瓷相增强体质量的2% 100%将硝酸锌(Zn(NO3)2)溶液与钨酸钠(Na2WO4)溶液以相同的速率滴加至硼酸铝晶须的悬浊液中，滴加氨水控制滴加过程中的PH值在7. 5 8. 0之间，滴加完毕继续处理5 7 小时，自然环境下阴干3 5天，在50 120°C下烘干30小时，然后在700°C 1000°C下焙烧1 3小时，得到晶须增强相；步骤三、将步骤二获得的晶须增强相与铝基体利用压力浸渗法制得ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料；步骤三所述ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料中硼酸铝晶须占总体积分数的10% 40%。本发明将钨酸锌(ZnWO4)涂覆到硼酸铝晶须上，提高了晶须与基体的润湿性。由于钨酸锌(ZnWO4)化学性质较为稳定，可以阻止界面反应的发生，使材料力学性能显著提高， 当涂覆的ZnWO4的质量是硼酸铝晶须质量的20%时，抗拉强度提高了 20%，屈服强度提高了 60%。此外，ZnWO4涂层具有辐射防护高能光子射线的能力，使本发明的铝基复合材料具有轻质、高强度及辐射防护特性。


图1是没有钨酸锌(ZnWO4)涂覆的硼酸铝晶须的扫描电镜观察图，图2是钨酸锌 (ZnffO4)涂覆的硼酸铝晶须的扫描电镜观察图。图3是ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的X射线衍射分析图谱，其中涂覆的ZnWO4质量是硼酸铝晶须质量的20%。图4为 ZnffO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的金相照片。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式中ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料由钨酸锌(ZnWO4)、硼酸铝晶须和铝基体制成的，其中硼酸铝晶须占ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料总体积分数的10% 40%，ZnWO4的质量是硼酸铝晶须质量的2% 100%。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是=ZnWO4的质量是硼酸铝晶须质量的10% 50%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是=ZnWO4的质量是硼酸铝晶须质量的20%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是=ZnWO4的质量是硼酸铝晶须质量的100%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是所述的铝基体为纯铝或铝合金。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的ZnffO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的步骤一、按硼酸铝晶须与蒸馏水的质量比为1 30将硼酸铝晶须加入到蒸馏水中，超声分散，得到硼酸铝晶须的悬浊液，步骤二、配制等摩尔浓度的硝酸锌(Zn(NO3)2)溶液与钨酸钠(Na2WO4)溶液，然后在180转/分的搅拌速度及超声条件下按生成的钨酸锌质量占陶瓷相增强体质量的2% 100%将硝酸锌(Zn(NO3)2)溶液与钨酸钠(Na2WO4)溶液以相同的速率滴加至硼酸铝晶须的悬浊液中，滴加氨水控制滴加过程中的PH值在7. 5 8. 0之间，滴加完毕继续处理5 7
4小时，自然环境下阴干3 5天，在50 120°C下烘干30小时，然后在700°C 1000°C下焙烧1 3小时，得到晶须增强相；步骤三、将步骤二获得的晶须增强相与铝基体利用压力浸渗法制得ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料；步骤三所述ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料中硼酸铝晶须占总体积分数的10% 40%。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤三所述铝基体为纯铝或铝合金。其它步骤和参数与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
六或七不同的是步骤二所述焙烧温度为800°C 900°C。其它步骤和参数与具体实施方式
六或七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
八不同的是步骤三所述的压力浸渗法是将石墨垫片放入压铸模具中，再放入步骤二获得的晶须增强相，预热至560°C并保温；同时将铝基材加热至熔化并保温；然后将熔化铝基材倒入压铸模具内，在压力下浸渗，再在50MI^压力下凝固。其它步骤和参数与具体实施方式
八相同。采用下述试验验证发明效果试验一 ZnW04涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的步骤一、按硼酸铝晶须与蒸馏水的质量比为1 30将硼酸铝晶须加入到蒸馏水中，超声分散，得到硼酸铝晶须的悬浊液，步骤二、配制等摩尔浓度的硝酸锌(Zn(NO3)2)溶液与钨酸钠(Na2WO4)溶液，然后在180转/分的搅拌速度及超声(超声频率为20kHz)条件下，按生成的钨酸锌质量占陶瓷相增强体质量的20%将硝酸锌(Zn(NO3)2)溶液与钨酸钠(Na2WO4)溶液以相同的速率滴加至硼酸铝晶须的悬浊液中，滴加氨水控制滴加过程中的PH值控制7. 5 8. 0之间，滴加完毕继续处理5小时，自然环境下阴干5天，在90°C下烘干25小时，然后在750°C下焙烧2小时，得到晶须增强相；步骤三、将步骤二获得的晶须增强相与铝基体利用压力浸渗法制得ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料；步骤三所述ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料中硼酸铝晶须占总体积分数的25%。图2-4可知，硼酸铝晶须在复合材料中无规则和均勻的分布，没有发现硼酸铝晶须有团聚现象，这表明钨酸锌并不会影响晶须在复合材料里分散性。
权利要求
1.ZnffO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料，其特征在于ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料由钨酸锌、硼酸铝晶须和铝基体制成的，其中硼酸铝晶须占ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料总体积分数的10% 40%，ZnffO4的质量是硼酸铝晶须质量的2% 100%。
2.根据权利要求1所述的ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料，其特征在于ZnWO4 的质量是硼酸铝晶须质量的10% 50%。
3.根据权利要求1所述的ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料，其特征在于ZnWO4 的质量是硼酸铝晶须质量的20%。
4.根据权利要求1所述的ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料，其特征在于ZnWO4 的质量是硼酸铝晶须质量的100%。
5.根据权利要求1 4中任一项权利要求所述的ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料，其特征在于所述的铝基体为纯铝或铝合金。
6.ZnffO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的步骤一、按硼酸铝晶须与蒸馏水的质量比为1 30将硼酸铝晶须加入到蒸馏水中，，超声分散，得到硼酸铝晶须的悬浊液，步骤二、配制等摩尔浓度的硝酸锌溶液与钨酸钠溶液，然后在180转/分的搅拌速度及超声条件下，按生成的钨酸锌质量占陶瓷相增强体质量的2% 100%将硝酸锌溶液与钨酸钠溶液以相同的速率滴加至硼酸铝晶须的悬浊液中，滴加氨水控制滴加过程中的PH值在7. 5 8. 0之间，滴加完毕后继续处理5 7小时，自然环境下阴干3 5天，在50 120°C下烘干30小时，然后在700°C 1000°C下焙烧1 3小时，得到晶须增强相；步骤三、将步骤二获得的晶须增强相与铝基体利用压力浸渗法制得ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料；步骤三所述ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料中硼酸铝晶须占总体积分数的10% 40%。
7.根据权利要求6所述ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三所述铝基体为纯铝或铝合金。
8.根据权利要求7所述ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二所述焙烧温度为800°C 900°C。
9.根据权利要求6、7或8所述ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法， 其特征在于步骤三所述的压力浸渗法是将石墨垫片放入压铸模具中，再放入步骤二获得的晶须增强相，预热至560°C并保温；同时将铝基材加热至熔化并保温；然后将熔化铝基材倒入压铸模具内，在5MPa压力下浸渗，再在50MPa压力下凝固。
全文摘要
ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法，它属于铝基复合材料领域。本发明要解决现有硼酸铝晶须与铝基体存在界面润湿性较差、易分层，与铝基体反应降低力学性能的技术问题。产品由钨酸锌、硼酸铝晶须和铝基体制成的；方法如下配制硼酸铝晶须的悬浊液；滴加等摩尔浓度的硝酸锌溶液与钨酸钠溶液；用压力浸渗法制得ZnWO4涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料。本发明将钨酸锌涂覆到硼酸铝晶须上，提高了晶须与基体的润湿性。由于钨酸锌化学性质较为稳定，可以阻止界面反应的发生，使材料力学性能显著提高。此外，ZnWO4涂层具有辐射防护高能光子射线的能力，使本发明的铝基复合材料具有轻质、高强度及辐射防护特性。
文档编号C22C121/02GK102433520SQ201110432938
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者张超, 李爱滨, 王桂松, 耿林, 范国华, 郑镇洙 申请人:哈尔滨工业大学