/Al基复合材料及其制备方法

文档序号:9703256阅读:425来源:国知局
/Al基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于A1基复合材料制备领域,具体涉及一种TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]A1基复合材料具有良好的塑性和韧性,再加之易加工、轻质、工程可靠性强及价格低廉等优点,可广泛用于航空航天和汽车等高技术领域,如制造汽车活塞、卫星结构件和空间机构结构件以及电子封装器件等。为了进一步改善其综合性能,尤其是高温力学性能,通过多相协同增强成为提高其性能的有利措施。在制备技术方面,原位自生技术具有明显的优势,因生成的增强相原位形核,颗粒细小,且增强相与基体界面结合良好,制品具有优良的力学性能,更高的耐磨性能和高温性能,成为研究的重点。
[0003]TiC与A1203粒子具有高熔点、高硬度等特性,加入后能够有效地提高A1基复合材料的强度,改善其抗疲劳、抗磨损和高温蠕变性能,成为A1基复合材料理想的增强相。国内佳木斯大学胡明等人(胡明,郑小红,张继堂,陈秋华,Al-Ti02-C体系MC法合成Al203-TiCP/Al基复合材料的动力学分析,材料科学与工程学报,2008,26(5): 770-774)利用Al-Ti02-C体系的原位反应制备了 Al203-TiC/Al复合材料。
[0004]TiAl3是具有优异抗高温氧化能力的高温稳定相,且具有高熔点、低密度、高比模量和高比强度等特性,是增强轻质金属材料(A1和Mg)的理想材料。山东大学王守仁(王守仁,TiAl3金属间化合物网络结构增强镁铝基复合材料研究,山东大学:博士学位论文,2007)采用TiAl3增强镁铝基复合材料。
[0005]近些年,一类MAX相(典型代表物为Ti3AlC2)备受关注,它们兼具金属和陶瓷的特性,譬如高韧性,高熔点,抗氧化性强,导电和导热性能好。将MAX相进行HF酸腐蚀处理,可获得类石墨稀结构的MXene,典型代表为MXene-Ti3C2(Ti3AlC2腐蚀产物),MXene在锂离子电池、超级电容器、气体储存、催化剂、传感器或二维电子产品领域具有潜在的应用,成为目前研究的热门。在力学性能方面,MXene的力学强度要优于MAX,良好的导电性能,成为先进复合材料理想的增强相。

【发明内容】

[0006]本发明的目的在于提供一种TiCx-Al203_TiAl3/Al基复合材料的制备方法,该方法充分利用了类石墨烯结构Ti02/MXene-Ti3C2的优势,且制备工艺简单易行,烧结温度低,制备成本低,有望进一步提高A1基复合材料的综合性能。
[0007]本发明采用的技术方案:
[0008]一种TiCx-Al203_TiAl3/Al基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
[0009]1)首先将Ti3AlC2粉体在氩气保护气氛下高能球磨4_20h,得到粒径为10?30μπι的Ti3AlC2 粉体;
[0010]2)按照质量分数取步骤1)所得Ti3AlC2粉体10?50份,向其中加入100?300份HF溶液,反应12?48h,并辅以超声波技术分散,然后用去离子水离心清洗直至pH为5.5?7,再用无水乙醇清洗5?6次,最后将粉体干燥即得MXene-Ti3C2粉体;
[0011]3)将步骤2)所得MXene-Ti3C2粉体在空气气氛下,升温速率为5?10°C/min,升温至200?400°C进行低温热处理,保温2?8h,然后随炉自然冷却,即得Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体;
[0012]4)按照重量百分比将步骤3)所得Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体2?50?七%与50?98wt %的A1粉体混合,进行湿法球磨,以乙醇为球磨助剂,球磨30?90min,使粉体混合均匀,然后进行低温干燥处理;
[0013]5)将步骤4)干燥后的粉体装入石墨模具中,进行真空热压烧结固化,以5?10°C/min升温速率升温至600?950°C,保温0?60min,施加压力为10?30MPa,然后随炉自然冷却,即得TiCx-Al203_TiAl3/Al基复合材料。
[0014]进一步,所述高能球磨球磨机转速为500?1000r/min,球料比为6:1?10:1。
[0015]进一步,所述HF溶液浓度为30?50vol %。
[0016]进一步,所述超声波频率为20?60kHz。
[0017]进一步,所述湿法球磨球磨机转速为200?500r/min,球料比为3:1?5:1。
[0018]进一步,所述低温干燥处理温度为30?40°C。
[0019]相应地,依据上述方法制备的一种TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料,包括下述质量比的原料:
[0020]Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体 2?50wt% ;
[0021 ] A1 粉体50 ?98wt%;
[0022]所述Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体由质量分数为10?50份Ti3AlC2粉体和100?300份浓度为30?50vol %的HF溶液经酸腐蚀处理、超声分散、离心清洗、干燥、低温热处理、自然冷却制得。
[0023]进一步,所述Ti3AlC2粉体经HF酸腐蚀处理后,获得的1乂61^-113(:2粉体呈层状疏松体形貌。
[0024]进一步,所述MXene-Ti3C2粉体进行低温热处理,形成类石墨稀层状结构,在Ti3C2表面附着有Ti02粒子。
[0025]进一步,TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料的弯曲强度为533?620MPa,断裂韧性为
6?7MPa.m1/2o
[0026]相对于现有技术,本发明的有益效果为:
[0027]本发明提供了一种TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料及其制备方法,其弯曲强度可达620.33MPa,断裂韧性高达6.96MPa.m1/2,远高于一般的陶瓷增强A1基合金的强度和韧性。
[0028]本发明的优点在于,制备工艺简单可控,通过对MXene-Ti3(^^体进行低温热处理,形成了特殊的类石墨稀层状结构Ti3C2表面附着Ti02颗粒,再通过Ti02和A1反应形成TiAh和A1203,保证了基体相和增强相强的化学键连接,以及增强粒子的分散问题,特殊的类石墨烯结构Ti3C2还可显著改善A1基复合材料的综合性能,尤其是耐磨性能,可用于制造高性能汽车活塞、卫星结构件和空间机构结构件替代钛合金以及电子封装等热控器件。本发明完全不同于传统的利用Ti02-Al-C或Ti02-TiC-Al混合体系制备TiC-Al203_TiAl3/Al基复合材料,本发明使用的Ti02/MXene-Ti3(^lt体是一种复合粒子,Ti3C2完全不同于TiC,具有类石墨烯特殊结构,性能优异,Ti02依附于Ti3C2生长,因此表现出完全不同于Ti02或TiC颗粒的性质。截至目前,尚未发现有利用Ti02/MXene_Ti3C2和A1反应制备TiC-Al203_TiAl3/Al基复合材料的研究报道。
【附图说明】
[0029]图1为实施例1使用的Ti3AlC2粉体的XRD图谱和Ti3AlC2粉体经HF酸腐蚀后MXene-Ti3C2粉体的XRD图谱。
[0030]图2为实施例1使用的Ti3AlC2粉体经HF酸腐蚀后MXene-Ti3C2粉体的SEM照片。
[0031 ]图3为实施例1使用的MXene-Ti3(^^v体经热处理后的结构模型。
[0032]图4为实施例1制备的TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料光学显微结构照片。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034]实施例1
[0035]步骤一、首先将Ti3AlC2粉体高能球磨6h,以氩气为保护气氛,转速为500r/min,球料比为6:1,得到粒径为15μπι的Ti3AlC2粉体,图1是Ti3AlC2粉体的XRD图谱,说明所得粉体的主要物相为Ti3AlC2,TiC杂相含量非常少;
[0036]步骤二、将步骤一所得Ti3AlC2粉体取20g放入烧杯内,加入150mL浓度为40vol %HF溶液反应24h,并辅以超声波技术分散,超声波频率为25kHz,然后用去离子水离心清洗直至pH在6,再用无水乙醇清洗5次,最后将粉体干燥,得到MXene-Ti3C2粉体,见图1粉体的XRD图谱,与理论计算的XRD图谱对比,说明成功得到了MXene-Ti3C2,图2 MXene-Ti3C2粉体的SEM照片显示了其微观形貌,形成了层状疏松体形貌特征;
[0037]步骤三、将步骤二所得MXene-Ti3C2粉体进行低温热处理,空气气氛,升温速率为10°C/min,处理温度为200°C,保温时间为8h,随炉自然冷却,即得Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体,图3是MXene-Ti3C2粉体经热处理后的结构模型,层状113(:2表面附着Ti02粒子;
[0038]步骤四、将15wt%步骤三所得Ti02/MXene-Ti3C2
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