改性剂及其制备方法和铝基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于铝基复合材料的改性剂及其制备方法和添加有该改性剂的铝基 复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 颗粒增强铝基复合材料是以铝及铝合金为基体，以颗粒状的增强体为增强相的复 合材料。将增强体加入完全或部分熔化的铝基体熔体中，然后浇注成复合材料，这种制备 方法，对设备要求较低，且工艺简单，能够很好的控制增强体在基体中的含量。就增强体的 加入方法而言，有外加法和基体原位自生法。外加法一般采用机械搅拌方式，将增强体和 金属粉末一起投入到熔融态的铝液中，其中的金属粉末是起改善增强体与铝液之间的润湿 性，以提高铝基复合材料中增强体与铝基的界面结合度，进而提高复合材料的硬度、抗拉强 度和屈服强度。目前的添加方法是将增强体和金属粉末分别或简单混合后直接加入到熔融 态的铝液中后，在搅拌过程中增强体容易团聚，并在重力的作用下下沉，使增强体的分布不 均，基体中易出现二相偏析，使材料内各部分的性能不一致，在增强体聚集的地方易产生应 力集中并形成裂纹，形成了材料中的薄弱点，限制了复合材料的抗拉强度和屈服强度的有 效提尚。
[0003] 对于特定的增强体颗粒可以采用基体原位自生法加入，公开号为CN104498787A 的专利申请提到，用将Al-Si、Al-Mg中间合金和纯铝按一定的比例配料并放入坩埚内熔炼 制备原位自生Mg2Si颗粒增强铝基复合材料，Mg 2Si颗粒粒度在10-30um，颗粒细小，分布均 匀，颗粒形态成圆整形态，有助于增强体颗粒与基体的结合；但基体原位自生法中强化相的 种类有限，限制了材料的品种开发，再加上自生反应过程容易生成副产物，有时甚至导致材 料的报废，以及制备成本较高，限制了其应用领域。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的首先在于提供一种改性剂，该改性剂为颗粒状，在加入到铝基体中 后，改性剂中的各种物料能够均匀地添加到铝基体中，减少甚至避免了铝基复合材料中的 二相偏析，以充分地提高铝基复合材料的抗拉强度。
[0005] 其次在于提供上述改性剂的制备方法，该制备方法可使陶瓷颗粒与纯铝粉均匀地 混合在一起，并紧密地结合在一起。
[0006] 再次在于提供添加有上述改性剂的铝基复合材料，该材料中作为增强体的陶瓷颗 粒在铝基体中分布均匀，无副产物。
[0007] 最后提供一种上述铝基复合材料的制备方法，该制备方法可使上述改性剂顺利地 添加到铝基体中，并最大限度地防止了二相偏析现象的产生。
[0008] 本发明的具体技术方案如下：
[0009] 改性剂，其原料包括：50 %~88 %的纯铝粉，I. 0 %~5. 0 %的金属粉末，10 %~ 40%的陶瓷颗粒，1. 0%~5. 0%的功能助剂；上述比例为重量百分比；改性剂为颗粒状，粒 度为0. 5~10毫米。
[0010] 该改性剂中除了纯铝粉和作为增强体的陶瓷颗粒外，还加入了金属粉末和功能助 剂，使用该改性剂制造复合材料时，可直接加入到铝熔体中，改性剂中的功能助剂在高温液 态铝中分解，产生少量气体，推动陶瓷颗粒扩散，达到自扩散的效果，使改性剂中起增强功 能的陶瓷颗粒均匀地分散在铝熔体中；同时由于改性剂中的金属粉末，使得陶瓷颗粒与铝 熔体的润湿性得到改善；传统技术中是将增强体和金属粉末单独加入到铝熔体中，小颗粒 的增强体和金属粉末由于容易产生聚集，使得其在铝熔体中难以均匀分散，而本发明将作 为增强体的陶瓷颗粒和金属粉末制成颗粒状，使增强体和金属粉末在铝熔体中易于分散， 减少甚至避免了铝基复合材料中的二相偏析，采用本发明改性剂所制得的铝基复合材料的 极限抗拉强度平均提高了大约20%。
[0011] 改性剂的粒度设定在〇. 5~10毫米范围内，0. 5~10毫米的改性剂在高温液态铝 中可以快速的被融化开，在其中的功能助剂的作用下，陶瓷颗粒被均匀地分散到铝液中的 各个部分；避免了颗粒过大时，改性剂在未完全熔化时已沉落到铝液的底部，无法使陶瓷颗 粒均匀地分布到铝液中。
[0012] 根据对铝基复合材料性能的具体要求，改性剂的粒度范围可以分别设定在0. 5~ 1毫米、1~3毫米或3~10毫米。
[0013] 进一步，改性剂的各原料优选为：
[0014] 所述陶瓷颗粒为碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氧化锆、氧化钛或氮化 硼中的任意一种，陶瓷颗粒的粒度为50纳米~100微米。
[0015] 所述金属粉末为镁、铜、锰、铁或锌中的至少一种，金属粉末粒径为50纳米~100 微米。
[0016] 改性剂中起增强功能的原料是陶瓷颗粒，金属粉末的作用是用于改善陶瓷颗粒与 铝液之间的润湿性，以提高陶瓷颗粒与铝基体的界面结合度，陶瓷颗粒的粒度要在适当的 范围内才能起到增强体的作用；粒度太小，陶瓷颗粒外形越尖锐，即增强体颗粒表面的曲率 越大，越容易产生应力集中，从而影响复合材料的综合性能，尤其是抗拉强度；粒度太大，陶 瓷颗粒的比表面积过小，不能与铝基体有足量的表面进行结合，使陶瓷颗粒与铝基体的总 的界面结合度太小，无法产生足够大的连接力来消耗外力所带来的能量，陶瓷颗粒在50纳 米~100微米之间，可以很好地兼顾到陶瓷颗粒表面的曲率和比表面积，使陶瓷颗粒起到 增强体的作用。
[0017] 金属粉末在陶瓷颗粒与铝基体之间起到媒介的作用，使陶瓷颗粒与铝基体之间具 有良好的润湿性，为了在制备改性剂的过程中，使金属粉末与陶瓷有均匀的混合效果，金属 粉末的粒度与陶瓷颗粒采用相同的范围，即50纳米~100微米之间；在制备改性剂时，金属 粉末的粒度要与陶瓷颗粒的粒度相适应，最好采用与陶瓷颗粒相同的粒度范围。
[0018] 纯铝粉的纯度彡98重量％，粒度为50纳米~100微米。
[0019] 由于陶瓷颗粒在铝基复合材料中的占比较低，作为改性剂的一部分加入到铝基中 的纯铝粉所占比例也较低，对铝基复合材料性能的影响也较低，将纯铝粉的纯度设为多98 重量％，在保证了纯铝粉一定纯度的要求下，以尽可能地降低费用。为了方便纯铝粉与陶瓷 颗粒、金属粉末和功能助剂的充分混合，将纯铝粉的粒度设定为与陶瓷颗粒和金属粉末的 粒度相同；在制备改性剂时，纯铝粉的粒度要与陶瓷颗粒和金属粉末的粒度相适应，最好采 用与陶瓷颗粒相同的粒度范围。
[0020] 所述功能助剂为碳酸镁、碳酸钠、碳酸铝、碳酸钾或氟锆酸铵中的至少一种。功能 助剂的作用是在其受到高温后，会产生分解并释放出气体，这部分气体一方面可以推动陶 瓷颗粒扩散，达到陶瓷颗粒的自扩散效果，另一方面该部分气体在上浮溢出的过程中，会对 陶瓷颗粒起到上浮的作用，减少陶瓷颗粒的下降速度，增强陶瓷颗粒在铝基体中的分散均 匀性。
[0021] 由于本发明所采用的功能助剂均为无机盐类，这些无机盐均为粉末状，粒度在 20-100微米之间，其粒度处于陶瓷颗粒与金属粉末的粒度范围内，可与陶瓷颗粒、金属粉末 和纯铝粉进行充分地混合；功能助剂即使由于环境因素而产生结块现象，其结块也比较松 散，很容易被粉碎，恢复到其细小颗粒的原始状态。
[0022] 上述发明改性剂的制备方法：将纯铝粉、金属粉末、陶瓷颗粒和功能助剂按设定比 例投入到球磨机中进行研磨，具体的研磨参数为：球料比I : 1~40 : 1，转速50~400转 /分钟，研磨时间2~12小时。
[0023] 制备改性剂的最佳设备是球磨机，球磨机是利用钢球或鹅卵石等硬质球体作为研 磨体，研磨体的相互冲击作用，以及研磨体与球磨机内壁的研磨作用来对物料进行粉碎。改 性剂的各种原料加入到球磨机中后，利用研磨体的冲击作用，可以使质地柔软并具有良好 延展性能的纯铝粉作为包裹体，将陶瓷颗粒、金属粉末和功能助剂包裹在一起，使原料的各 种粒度的粉末均可相互混合均匀，形成大小均匀的颗粒，利