一种原位颗粒增强的铝基复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及侣基复合材料的制备方法，特别设及一种采用错英粉工业产生的废弃 尾砂作为增强体原材料的原位颗粒增强的侣基复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 复合材料是将两种或两种W上的组元经一定工艺复合，发挥组元间的协同效应而 制备出的性能优异的材料。复合材料的产生与发展顺应了现代工业和技术的发展，满足现 代技术对材料力学性能越来越高的强求。常见的复合材料基体有高分子树脂基、陶瓷基、无 机水泥基W及金属基等。目前，树脂基复合材料制备工艺较简单，但其强度远比不上金属基 复合材料。而陶瓷、水泥基复合材料因其基体脆性大，用途受到严重限制。金属基复合材料 是现代工业中应用最广泛的结构、功能材料之一。按照复合材料增强体的类型进行分类，复 合材料主要有长纤维增强、短纤维增强W及颗粒增强等=种。前两者力学性能优异，但制备 成本较高，而颗粒增强侣基复合材料是将高弹性模量、高脆性的陶瓷颗粒与密度低、塑性和 延展性好、价格低廉的侣结合，使之不仅表现出较为良好的比强度、比刚度、小线膨胀系数， 还具有优异的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等。当今，该类复合材料已广泛用于航天航空、汽车 工业、3C数码产品外壳W及人们日常家居用品中。
[0003] 就颗粒增强侣基复合材料增强体制备的模式分类，可分为外加增强颗粒和基体原 位自生增强体两类。外加颗粒增强侣基复合材料WSiCp/Al、Al2〇3/Al等较为常见。上述 SiC/Al复合材料的增强体SiC和A1之间的化学反应需较高温度才能进行，因此，不经过任 何预处理的SiC所制备得的A1基复合材料的组织中颗粒与增强体间结合力往往有限。原 位自生侣基复合材料是通过加入的合金元素或者其他物质与侣基体发生化学反应，而后在 基体中生成增强体，该类增强体与侣基体结合性能良好，有利于增强复合材料的强度，常见 的该类材料如 TiBa/AKMgaSi/Al、(Al3Zr+Al2〇3)p/Al、Al2〇3/Si〇2/Al 等。原位自生复合材料 耐磨性能较好，在工业领域已经被逐步推广和应用。但制备上述颗粒增强侣基复合材料所 需的增强体原料需要专口购买，并且有的增强体价格昂贵。
[0004] 在关于设及利用固体废弃物制备侣基复合材料的专利中，专利号CN200810036241 提到了利用回收的废弃玻璃制备Si02/Al复合材料。该专利中的制备原料来源于生活废弃 物玻璃，其他组分不仅含有Si〇2,还含有NasSiOs，化Si〇3等。
[0005] 错英砂比重法精选后，会废弃原砂质量约30%的尾砂，该废弃尾砂除了少量被回 收用于建筑行业外，传统处理方法常常是在空地堆填。长期W来，废弃的错铁矿物尾砂已导 致大量±地资源被占用和堆田区±质劣化。因Si〇2只溶于氨氣酸、热浓磯酸等有毒或强腐 蚀性溶剂，故较难提纯回收。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种原位颗粒增强 的侣基复合材料的制备方法，制备工艺简单，生产成本低廉，实现"变废为宝"，得到的侣基 复合材料组织均匀。
[0007] 本发明的目的通过W下技术方案实现：
[000引一种原位颗粒增强的侣基复合材料的制备方法，包括W下步骤：
[0009] (1)错铁矿尾砂预处理：
[0010] (1-1)错铁矿尾砂采用比重法筛分，去除错英砂；
[0011] (1-2)将经步骤（1-1)处理后的错铁矿尾砂经行星式球磨机干磨2~5min后取 出；
[001引 （1-如利用筛网对步骤（1-。得到错铁矿尾砂进行分筛，得到颗粒粒径为 150 y m-180 y m的错铁矿尾砂；
[0013] (1-4)将步骤（1-3)得到错铁矿尾砂进行超声清洗后烘干；
[0014] (1-5)将步骤（1-4)得到的错铁矿尾砂置入铁相蜗中，在马弗炉中进行650~ 750°C持续0. 5~1. 5小时的赔烧处理，得到尾砂添加颗粒；
[0015] (2)称量原料；所述原料包括工业纯侣和尾砂添加颗粒；其中，所述尾砂添加颗粒 的加入量为原料的1~lOwt% ;
[0016] (3)在660~850°C下烙炼纯侣，并去除烙渣，得到烙融侣液；
[0017] (4)将石墨制揽拌奖伸入烙融侣液中进行揽拌；
[0018] (5)将步骤（2)称量好的尾砂添加颗粒加入烙融侣液由于揽拌形成的縱祸中屯、， 持续揽拌5~30min ;
[0019] (6)揽拌完毕后加入CsCle除气后诱铸，冷却后得到原位颗粒增强的侣基复合材 料。
[0020] 步骤（2)所述原料还包括纯Mg，所述纯Mg的加入量为原料总质量的0. 1~5wt%; [002U 步骤（3)具体为：在660~850°C下烙炼纯侣，待纯侣烙化后加入纯Mg，并去除烙 渣，得到烙融侣液。
[0022] 步骤（3)所述揽拌，具体为；揽拌速率为100~2000r/min。
[0023] 所述工业纯侣为工业纯侣A00。
[0024] 本发明的原理如下；
[0025] 本发明采用的错铁矿尾砂除含70 %的Si化外还含有28 %的娃酸侣，该物质是目 前某些高性能侣基复合材料的优质增强体。Si〇2可与侣、儀等金属烙体发生置换反应，利用 该原理加入金属烙体中，可制备含有Al2〇3、MgO增强体的金属基复合材料；AlsSiOe是常见的 侣基复合材料增强体，其在制备过程中与基体结合良好，对复合材料力学性能有正面贡献。
[0026] 此外，Si化因其晶体类型不同，密度介于2. 20-2. 66g/cm3之间，与侣的密度 2. 70g/cm3较为相近。在制备过程中，对侣液施加机械揽拌可使二氧化娃颗粒顺利进入侣烙 体中。W Si化作为制备侣基复合材料的添加颗粒可提高烙体和增强体的浸润效果。纯侣 与Si〇2在相对低温下可发生如下反应：
[0027] 4Al(i)+3Si〇2(s)= 2A1 2〇3(s)+3Si (曰）
[002引为克服Si02杨氏模量较低的不足，通过尾砂与烙体反应生成具有更高弹性模量的 Al203可使材料获得更高的刚度从而对复合材料起增强作用。
[0029] 与现有技术相比，本发明具有W下优点和有益效果：
[0030] (1)错铁尾矿砂每年的年废弃量大，本发明对错铁矿废弃物提出了合理的回收利 用方案，率先利用该类废弃物制备具有工业应用价值的A1基复合材料，该不仅有利于环境 保护，还可创造可观的经济效益。
[0031] (2)本发明中错铁尾砂预处理方法简单，只需短时间球磨就可得到粒径均匀的加 入颗粒，较专利CN200810036241中提及的利用废弃玻璃制备颗粒增强侣基复合材料的更 具备经济性。
[0032] (3)错铁矿尾砂中Si化含量达到70 %，余量为超过28 %的AlsSiOsW及不足1% 的AlFe、ZrSi〇4。Si化可与侣烙体发生反应生成杨氏模量较大的A1 2〇3陶瓷进而提高材料 的强度；AlsSiOg亦是金属基复合材料常见的增强相，其与侣烙体相容性较好，即该尾矿砂 中98% W上的成分对复合材料强度有正面贡献。对比专利CN200810036241中提及对生活 废弃玻璃的回收利用，其主要成分除了 Si化外还含有一定量的化、化、Pb、Cy等多种化合 物，因此用生活废弃玻璃制备颗粒增强A1基复合材料的组织、性能可控性不如本专利采用 的尾砂。
[0033] (4)本发明采用的揽拌制备工艺简便，烙铸温度下利用揽拌分散法可制备增强体 分散均匀的侣基复合材料，Si〇2加入侣烙体后原位反应生成A1 2〇3,反应后A1、SiOsW及 AI2O3S者之间的界面结合情况较增强体很难与基体发生化学反应的SiC/Al类侣基复合材 料好。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明的实施例1的尾砂添加颗粒的3D光学显微形貌；
[0035] 图2为本发明的实施例1的尾砂添加颗粒的侣基复合材料的XRD分析结果；
[0036] 图3为本发明的实施例1制备的原位颗粒增强的侣基复合材料的XRD物相分析结 果；
[0037] 图4为本发明的实施例1制备的原位颗粒增强的侣基复合材料的金相组织图。
[0038] 图5为本发明的实施例1制备的原位颗粒增强的侣基复合材料的放大80X的SEM 组织图。
[0039] 图6为本发明的实施例4制备的原位颗粒增强的侣基复合材料的放大500X的SEM 组织图。
[0040] 图7为本发明的实施例4制备的原位颗粒增强的侣基复合材料的金相组织图。
[0041] 图8为本发明的实施例4制备的原位颗粒增强的侣基复合材料的SEM组织图。
[0042] 图9为本发明的实施例5中制备的不同的样品硬度值对比。
[0043] 图10为本发明的实施例5制备的不同的样品抗拉强度值对比。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0045] 实施例1
[0046] 本实施例的原位颗粒增强的侣基复合材料的制备方法，包括W下步骤：
[0047] (1)错铁矿尾砂预处理：
[0048] 本实施例所选用的错铁矿物尾砂来源于马来西亚产的错铁矿原砂精选工艺后废 弃的物料；
[0049] (1-1)将错铁矿尾砂采用比重法筛分后，去除错英砂，收集主要成分为Si化和娃酸 侣的错铁矿物尾砂；
[0050] (1-。将经步骤（1-1)处理后的错铁矿尾砂经行星式球磨机干磨3min后取出；
[0051] (1-3)利用筛网对步骤（1-2)得到错铁矿尾砂进行分筛，得到颗粒粒径为 150 y m-180 y m的错铁矿尾砂；
[0化2] (1-4)将步骤（1-3)得到错铁矿尾砂置入超声清洗机中加入适量酒精清洗，清洗 后取出再次在电阻加热器上烘干；
[0化3] (1-5)将步骤（1-4)得到的错铁矿尾砂置入铁相蜗中，在马弗炉中进行70(TC持续 1小时的赔烧处理，得到尾砂添加颗粒；
[0化4] 图1为经过上述预处理工艺后添加颗粒的3D体视显微形貌；图2为步骤（1-5)得 到尾砂添加颗粒的XRD衍射谱，对其进行物质标准卡片对比W及半定量成分分析发现Si化、 AlaSiOs成分和约为98wt %，Z