一种氧化锌颗粒增强铝基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种氧化锌颗粒增强铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料领域。

背景技术：

颗粒增强铝基复合材料由于其具有高比强度、高比模量、良好的高温性能、耐疲劳性、耐腐蚀性和导电性能良好等综合力学性能和使用性能，已成为21世纪最有发展前途的先进材料之一。其中弥散增强的铝基复合材料作为最常见的一种，由于其具有各向同性特征突出、可加工性强、价格低廉以及无老化、高温蠕变现象和在高真空条件下不释放小分子的特点，在航空航天、军事、汽车、电子及生活用品等领域都显示出广阔的应用前景。

目前，颗粒增强铝基复合材料的增强体主要是SiC、Al₂O₃和石墨等。而氧化锌(ZnO)有比这些常用增强体更低的电阻率、更高的热导率以及更低的热膨胀系数，同时氧化锌具有较大的空电位(3.7eV)，在催化剂、半导体材料、太阳能电池、电光学设备等方面都有巨大的应用，同时也具有高介电损耗、低电阻率的性能。但是氧化锌有比较严重的团聚现象，所以选取合适的制备方法非常重要。制备铝基复合材料的方法目前主要有：磁控溅射法，喷射沉积法，铸造法，粉末冶金法和原位生成法。磁控溅射法和喷射沉积法只能制备薄膜材料(厚度在毫米量级以下)。铸造法和粉末冶金法中，强化颗粒通常倾向于团聚，导致其分布不均匀，样品易出现孔隙，裂纹等缺陷，从而很大程度上影响制得的金属基复合材料的力学与电学性能。原位合成法可以解决上述问题，但是利用原位合成法时，增强体所占体积分数受到限制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化锌颗粒增强铝基复合材料的制备方法。该方法使得添加进去的高体积分数的氧化锌可均匀分散在基体中，克服氧化锌颗粒严重的团聚性，且复合材料性能优良，并且工艺简单，成本低廉。

本发明的技术方案具体包括如下步骤：

步骤一：选取完全退火态纯铝板，并进行表面处理，去除掉表面的氧化膜和油污；

步骤二：选取体积分数为纯铝板的0.5％～5％的氧化锌颗粒作为增强体，将称量好的ZnO颗粒在丙酮中经超声震荡后，均匀涂覆在处理好的铝片表面；

步骤三：待丙酮挥发后，将多层铝片叠放到一起并固定，对固定好的样品进行轧制；

步骤四：对轧制一道次后的样品进行表面处理，除掉油污和表面氧化物，不再添加ZnO颗粒，沿轧制方向对折，再进行轧制，重复上述步骤，进行累积叠轧，直至轧制道次达到8～12次；

步骤五：对轧制后的样品，选取烧结温度为500℃、压强为80MPa、烧结保温加压时间为5min，对累积叠轧样品进行放电等离子烧结处理，得到氧化锌颗粒增强铝基复合材料。

步骤三和四中，每道次轧制时，厚度的变形量约为50％。

本发明将氧化锌经超声分散后均匀夹在经完全退火以及去氧化膜、脱脂处理的纯铝板中间，然后对其进行连续多次累积轧制；随后将轧制试样经放电等离子工艺烧结成一个完整的整体。在轧制力的作用下，氧化锌颗粒被压碎细化，团聚程度不断降低。随着轧制道次的增加，氧化锌颗粒除了随着轧制过程中样品的延长而在平行于轧制方向的面内分散外，在样品厚度方向也加速分散开，最终得到氧化锌颗粒分散均匀的铝基复合材料。因累积叠轧工艺产生的形变强化和细晶强化，和氧化锌增强体产生的颗粒强化，最终制得的复合材料有较高的显微硬度，约为原始纯铝试样的2.1倍；同时还有较高的热导率及较低的热膨胀系数

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的方法所需设备简单，操作简便，成本低廉，经济性高，可以实现工业规模化生产。

2.本发明的方法可以添加高体积分数的纳米ZnO颗粒，并有效降低团聚现象，实现均匀分散。

3.本发明的方法可以获得界面结合情况良好的复合材料。

4.本发明的方法可以通过添加不同体积分数的纳米ZnO颗粒，调节不同的累积道次获得不同硬度的氧化锌增强铝基复合材料。

下面结合附图和实例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1，2中使用的原始纳米氧化锌扫描电镜(SEM)照片。

图2为本发明实施例1中，经过4道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。

图3为本发明实施例1中，经过8道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。

图4为本发明实施例1中，经过12道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。

图5为本发明实施例2中，添加量为0.5vol.％的样品，经过8道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。

图6为本发明实施例2中，添加量为5.0vol.％的样品，经过8道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。

图7为本发明实施例3中，添加量为5.0vol.％的样品，经过12道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1：将2.5vol.％的纳米氧化锌夹在经完全退火且去氧化膜、脱脂处理的纯铝中间，然后在室温无润滑的条件下对其连续进行4、8、12道次累积轧制。本实施例中纯铝板含铝量为99.99％，尺寸为：100×20×0.25mm；氧化锌颗粒大小为248nm。采用工业轧机，轧制速度为187mm/min。每道次轧制时，样品厚度方向压下量为50％。对经完全退火的纯铝片进行去氧化膜和脱脂等表面处理，将称量好的纳米ZnO颗粒在丙酮中经超声震荡后，均匀涂覆在处理好的铝片表面待丙酮挥发后，将多层铝片叠放到一起并用胶水固定样品两端，在室温条件下进行轧制。轧制一道次后，将样品对折压紧，再重复轧制过程。随后对轧制态样品进行放电等离子烧结处理，采用的烧结温度为500℃、烧结保温加压时间为5min、烧结压强为80MPa，烧结过程中对样品通氩气保护防止其氧化。

图1为本发明中所使用原始纳米氧化锌扫描电镜(SEM)照片。经分析，氧化锌原始颗粒尺寸为248nm。

图2为本发明实施例1中，经过4道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。大部分的颗粒在轧制方向上呈现聚集，少量氧化锌颗粒分布于层间，样品结合情况良好。经分析，氧化锌颗粒尺寸为547nm；经测量，样品的显微硬度为36.71HV。

图3为本发明实施例1中，经过8道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。氧化锌颗粒聚集区域减少，趋向于均匀分散。经分析，氧化锌颗粒尺寸为399nm；经测量，样品的显微硬度为39.58HV。

图4为本发明实施例1中，经过12道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。氧化锌颗粒基本均匀分散在铝基体中。经分析，氧化锌颗粒尺寸为358nm；经测量，样品的显微硬度为52.3HV，是原始退火态纯铜显微硬度(26.8HV)的1.95倍。

由以上可知，当所加氧化锌体积分数为2.5％时，达到其在铝基体中均匀分布的轧制道次应大于8次。

实施例2：分别将0.5vol.％、2.5vol.％和5.0vol.％的纳米氧化锌夹在经完全退火且去氧化膜、脱脂处理的纯铝中间，然后在室温无润滑的条件下对其连续进行8道次累积轧制。

本实施例中纯铝板含铝量为99.99％，尺寸为：100×20×0.25mm；氧化锌颗粒大小为248nm。采用工业轧机，轧制速度为187mm/min。每道次轧制时，样品厚度方向压下量为50％。轧制8道次后，对轧制态样品进行放电等离子烧结处理，采用的烧结温度为500℃、烧结保温加压时间为5min、烧结压强为80MPa，烧结过程中对样品通氩气保护防止其氧化。

图5为本发明实施例2中，添加量为0.5vol.％的样品，经过8道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。可以看出，氧化锌颗粒均匀分散在铝基体中，没有出现团聚的现象。经测量，样品的显微硬度为30.17HV，经计算，样品的热导率为246.3w·m^-1k^-1，热膨胀系数为23.1×10^-6/℃。

图3为本发明实施例2中，添加量为2.5vol.％的样品，经过8道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。可以看出，氧化锌颗粒出现少量聚集区域，大部分均匀分散在基体中。经测量，样品的显微硬度为39.58HV,经计算，样品的热导率为243.6w·m^-1k^-1，热膨胀系数为22.7×10^-6/℃。

图6为本发明实施例2中，添加量为5.0vol.％的样品，经过8道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。可以看出，大部分氧化锌颗粒在轧制方向上聚集，在铝基体中呈现轧制方向上的条纹状。经测量，样品的显微硬度为44.87HV，是原始退火态纯铜显微硬度(26.8HV)的1.67倍；经计算，样品的热导率为240.2w·m^-1k^-1，热膨胀系数为22.2×10^-6/℃。

由以上可知，当所加氧化锌为0.5-2.5vol.％时，采用轧制道次大于或等于8次时可以达到其在铝基体中均匀分布的效果。

实施例3：将5.0vol.％的纳米氧化锌夹在经完全退火且去氧化膜、脱脂处理的纯铝中间，然后在室温无润滑的条件下对其连续进行8道次累积轧制。

本实施例中纯铝板含铝量为99.99％，尺寸为：100×20×0.25mm；氧化锌颗粒大小为248nm。采用工业轧机，轧制速度为187mm/min。每道次轧制时，样品厚度方向压下量为50％。轧制12道次后，对轧制态样品进行放电等离子烧结处理，采用的烧结温度为500℃、烧结保温加压时间为5min、烧结压强为80MPa，烧结过程中对样品通氩气保护防止其氧化。

图7为本发明实施例3中，添加量为5.0vol.％的样品，经过12道次累积叠轧并采用放电等离子烧结工艺得到的氧化锌增强铝基复合材料纵截面的扫描电镜(SEM)照片。氧化锌颗粒聚集区域减少，趋向于均匀分散。经测量，样品的显微硬度为61.92HV，约为原始纯铝硬度的2.1倍。

由以上可知，当所加氧化锌为5.0vol.％时，达到其在铝基体中均匀分布的轧制道次应不小于12次。