专利名称：一种用于金属基复合材料中的晶须预制块的制作方法
技术领域：
本发明公开一种用于金属基复合材料中的晶须预制块的制作方法。
金属基复合材料具有优异的性能(如高的比强度、比刚度、优良的耐热性和耐磨性、低的热膨胀系数等)，在汽车、航空航天、体育器材等广泛领域中有着巨大的应用价值。金属基复合材料比较常用的制备方法之一为挤压铸造法，挤压铸造法具有工艺简单易行、所制得的复合材料具有气孔率小等优点。挤压铸造法制取复合材料的工艺特征是先将晶须制成一定体积分数的预制块，然后在一定压力下将液态金属渗入预制块。由此可见，获得晶须分布均匀且强度足够高(以保证在挤压铸造中预制块不变形或者开裂)的预制块是制取性能优异的复合材料的前提。
传统的预制块制作方法为晶须浸泡、过滤、模压成型、烘干处理。利用上述方法对目前市场上出售的碳化硅晶须进行预制块的制作，不经超声波分散，则晶须之间的缠结无法打开。所制得的预制块强度较低。晶须分布极不均匀。当对晶须进行超声分散，但不加深胶时，所制得的预制块强度很低。在挤压铸造过程中，预制块变形严重甚至袭成若干碎块，难以制备满意的复合材料。由此可见，传统的预制块制作方法不能制备出组织和性能均佳的复合材料。
本发明的目的是提供一种用于金属基复合材料中的晶须中的晶须预制块的制作方法，以本方法制作的晶须预制块具有晶须分布均匀、晶须的长径比损失小、预制块强度高等优点。
本发明是这样实现的(1)将晶须水浸并超声振荡，其目的是分散晶须之间的缠结团，以保证晶须均匀分布；(2)向晶须中添加适量的溶胶，再进行超声波振荡，其目的是使溶胶均匀分布；(3)利用模压成型制成预制块的半成品；(4)对晶须预制块的半成品进行烘干处理和高温处理。
下面对本发明进行详细阐述。
本发明所涉及的晶须可以是碳化硅晶须、硼酸铝晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等。预制块的晶须体积分数为10-50%。
一般来说，由于各种晶须大多分散不好，有的甚至结成团状。晶须的分散是保证其分布均匀，进而保证所制得的复合材料性能优异的关键。利用球磨分散或利用筛网强制性过滤分散时，晶须长径比损失很大，不利于有效地发挥晶须的增强作用。超声振荡分散晶须是本发明的重要创新之一，所用的超声发生器可以是一般的超声清洗器。每百克晶须所需的超声波输出功率为150-250W，频率为30-50KHz。超声波分散晶须的原理是利用超声波较好的穿透能力，以其所携带的能量将晶须之间的缠结团打开。超声振荡之前，首先用蒸馏水对晶须进行浸泡并搅拌，其目的是打开较大的晶须缠结团。进行超声波分散时，超声波的输出功率要足够大，每百克晶须所需超声波的功率为150-250W，振荡时间为4-6小时。
超声振荡后，将晶须上部的水倒掉。然后向晶须中添加溶胶，溶胶的成分为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=(80-120)ml(3-6)g(3-6)ml(3-6)ml。溶胶的配制方法是先将聚乙烯醇加入到丙三醇中，在60℃下令聚乙烯醇溶解。而后将水和硅溶胶按上述比例混合。加胶量为每克晶须加溶胶1-5ml。
加入溶胶后，再对晶须进行超声波振荡。超声波的输出功率为150-250W，超声波振荡时间为4-6小时。该步骤的目的是使溶胶均匀分布。
将经过上述处理的晶须与溶胶的混合物在底部有滤网的模具中过滤，而后加压制成一定体积分数的晶须预制块的半成品。所加压力依据晶须的体积分数来选择。为了使压力在预制块中传递均匀，应使压力保持5-25分钟。
将上述晶须预制块的半成品烘干。烘干的目的是使预制块中的水分蒸发，而将干燥的胶留在预制块中作为晶须之间的粘结物。烘干时温度不能过高，原因是，当温度过高时，一方面是由于水的剧烈汽化，水蒸汽中含有较多的溶胶，从而降低了预制块中胶的含量；另一方面，水的剧烈汽化还可能将预制块胀裂，难以保证预制块的质量。合适的烘干工艺为温度保持在80℃，烘干时间为6-8小时。
最后，将预制块在700-900℃的温度下进行烧成处理，时间为50-70分钟。冷却时，冷速不能过快，因为冷速过快时，可由于预制块的快速受缩而使预制块破裂。对于箱式电阻炉而言，随炉冷却即可。
采用本发明所说的方法可以制造出晶须分布均匀、晶须长径比损失小，具有特定形状，特定强度，在压铸时不变形的预制块。
通过下面的实施例可进一步证明本发明有效性。
实施例1用本发明的方法制作碳化硅晶须预制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)，然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为150W，振荡时间为8小时。加胶量为每克晶须1ml，胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=80ml3g3ml3ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干6小时，最后在700℃下高温处理50分钟，所制得的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为50%。
实施例2用本发明的方法制作碳化硅晶须预制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)，然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为250W，振荡时间为8小时。加胶量为每克晶须5ml，胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=120ml:6g:6ml:6ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干6小时，最后在900℃下高温处理70分钟，所制得的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为10%。
实施例3用本发明的方法制作碳化硅晶须预制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)，然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为250W，振荡时间为6小时。加胶量为每克晶须3ml，胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=80ml:3g:3ml:3ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干8小时，最后在800℃下高温处理60分钟，所制得的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为30%。
实施例4用本发明的方法制作碳化硅晶须预制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)，然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为250W，振荡时间为8小时。加胶量为每克晶须2ml。胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=100ml:5g:5ml:5ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干6小时，最后在800℃下高温处理60分钟，所制得的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为20%，且复合材料的性能达到了最佳。
实施例5用本发明的方法制作硼酸铝晶须预制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)，然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为150W，振荡时间为8小时。加胶量为每克晶须2ml。胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=100ml:5g:5ml:5ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干6小时，最后在800℃下高温处理50分钟，所制得的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为30%。
实施例6用本发明的方法制作硼酸铝晶须制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)，然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为250W，振荡时间为8小时，加胶量为每克晶须1ml。胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=80ml:3g:3ml:3ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干6小时，最后在900℃下高温处理50分钟，所制得的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为30%。
实施例7用本发明的方法制作氧化铝晶须预制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)，然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为250W，振荡时间为8小时。加胶量为每克晶须3ml。胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=80ml:3g:3ml:3ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干5小时，最后在800℃下高温处理60分钟，所制的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为30%。
实施例8用本发明的方法制作碳化硅晶须预制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为250W，振荡时间为8小时。加胶量为每克晶须3ml。胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=80ml:3g:3ml:3ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干6小时，最后在800℃下高温处理50分钟，所制得的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为20%。
实施例9用本发明的方法制作氮化硅晶须预制块。首先用蒸馏水浸泡晶须(100克)，然后进行超声波振荡分散，其方法是将水与晶须的混合物盛于烧杯中放入超声清洗槽后，打开超声波发生器，超声波输出功率为250W，振荡时间为8小时。加胶量为每克晶须3ml，胶的组成为水聚乙烯醇丙三醇硅溶胶=80ml:3g:3ml:3ml。加胶后再进行超声波振荡(条件同前)。过滤后利用模具成型，80℃下烘干6小时，最后在800℃高温处理50分钟，所制得的晶须预制块满足挤压铸造的要求，晶须体积分数为20%。
权利要求
1.一种用于金属基复合材料中的晶须预制块的制作方法，其特征在于该方法按以下步骤实现(1)首先用蒸馏水浸泡晶须搅拌。然后利用超声波振荡4-6小时，每百克晶须所要求的超声波输出功率为150W-250W。沉淀后将晶须上部的水倒掉。(2)向晶须中加入水溶胶。该溶胶的组成为聚乙烯醇∶丙三醇∶硅溶胶=(80-120)ml∶(3-6)g∶(3-6)ml∶(3-6)ml。加胶量为每百克晶须加溶胶0.5-5ml。(3)添加溶胶后，再进行超声波振荡，超声波的输出功率为150W-250W，振荡时间为4-6小时。(4)将含有溶胶的晶须倒入在底部有滤网的模具中进行过滤。(5)根据预制块的体积分数要求，通过施加一定的压力制成预制块的半成品。(6)将晶须预制块的半成品烘干，烘干时的温度为80℃。烘干时间为6-8小时。(7)在700-900℃下将晶须预制块进行高温处理50-70分钟。
全文摘要
本发明公开了一种用于金属基复合材料中的预制块的制作方法，通过水浸及超声波振荡以分散晶须之间的缠结团，从而保证晶须在预制块中及在随后用压铸法制备的复合材料中均匀分布。通过向晶须中加入适量的水溶性有机溶胶来保证预制块的高强度。在一定的压力下制成一定晶须体积分数的预制块后，对预制块进行烘干高温处理。
文档编号B22D19/14GK1100353SQ93117478
公开日1995年3月22日 申请日期1993年9月16日 优先权日1993年9月16日
发明者费维栋, 耿林, 胡津, 李超, 姚忠凯 申请人:哈尔滨工业大学