专利名称：微胞陶瓷/金属块体复合材料及制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料制备技术，特别涉及一种新型结构的微胞陶瓷/金属复合材料及其制备方法。
背景技术：
陶瓷/金属复合材料主要有陶瓷强化金属基复合材料和金属增韧陶瓷基复合材料两大类，这些陶瓷/金属复合材料大多是基于结构材料而设计的，研究热点集中于材料的综合机械性能，主要是强度和韧性，取得了显著成就。制备方法主要有热挤压、压铸、熔渗、PVD、离心铸造、粉末冶金以及原位生长等，金属基体中加入或者自生的强化相多为分立的(粒子、短纤维等)或者立体编织网状(部分长纤维)。最近金属陶瓷梯度功能材料引起世界许多材料学者的关注，有关功能梯度材料的研究已经取得了较大进展。放电等离子烧结是一种全新粉末冶金技术，它具有升温速度快、烧结时间短等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、也可用来制备纳米块体材料、梯度功能材料等。金属/陶瓷梯度材料是一种组分、结构、物性参数呈连续变化或阶梯变化的高性能材料，要求各层的烧结温度也不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。SPS烧结可以用阶梯状的石墨模具，由于模具上、下端电流密度不同产生的温度梯度，满足成分配比不同的梯度材料的烧结。但其温度梯度方向是单一的，不适合粉末颗粒径向梯度复合粉末的烧结。纳米陶瓷粉末包覆金属或合金颗粒的复合粉末烧结尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是将表面包覆纳米陶瓷粉末的金属合金粉末利用放电等离子烧结方法制备的一种微胞陶瓷/金属块体复合材料及其制备方法。
所述微胞陶瓷/金属块体复合材料的组织结构微胞陶瓷/金属复合材料是由蜂窝状封闭微胞陶瓷与胞内金属或合金组成的复合结构，微胞尺寸为5～90微米，胞壁壁厚1～2微米。胞壁是致密的陶瓷烧结体。胞内是金属或合金，合金的组织保持均匀细小。
所述金属可为单质金属或两种组元以上的合金。而封闭微胞陶瓷可为5～90纳米Al2O3、ZrO2等陶瓷材料。
这种组织结构特点有利于保持样品中的组分所具有的诸多的理化及机械性能特性。由于合金胞体被完整的陶瓷胞壁所封闭，故陶瓷的耐磨，耐高温，抗腐蚀，抗氧化等特性将在这种复合结构中体现。使在复合材料中的陶瓷相的性能充分地表现出来。由于陶瓷层构成空间封闭胞状结构，完全隔离了胞内金属之间的联系，抑制了邻近胞体之间的原子的扩散，使合金晶粒长大受到限制，具有较好的综合机械性能。
所述微胞陶瓷/金属块体复合材料的制备技术方案是微胞陶瓷/金属块体复合材料的制备过程包括合金粉末的成分设计及制备、复合冷压胚的制备及放电等离子烧结，其过程为1)成分的选择材料成分的选择主要考虑材料的成本和性能。性能是指复合材料所需的机械性能以及功能性(如导电性、导热性、耐高温性能、耐化学腐蚀性能、磁性能等理化性能)。可以从各种理化性能和机械性能搭配考虑，选择的金属或合金微胞尺寸为5～90微米和胞壁壁厚为1～2微米的陶瓷包覆粉末。
2)复合冷压胚的制备将金属或合金基础粉末和陶瓷包覆粉末按(9～20)∶1(体积比)混合，用玛瑙研钵研磨至纳米包覆粉末完全均匀包覆于基础粉末表面，放入模具冷压定型后进行SPS烧结。
3)放电等离子烧结致密化采用放电等离子烧结系统，以金属或合金粉末颗粒的烧结条件为基础按相应的压力，温度，烧结电流烧结条件，进行复合粉末的致密化烧结成形。
本发明技术的有益效果1.本发明的技术方案制备胞状陶瓷/金属块体复合材料的工艺简单，操作方便，烧结过程程序化控制。
2.采用本发明技术方案制备的胞状陶瓷/金属复合材料的特殊复合模式使其具有了传统金属基复合材料所不具备的陶瓷的性能特点，而且在非常宽限的范围内通过原料组分的调整搭配使该结构复合材料具有的特点有利于保持样品中的组分所具有的诸多的理化及机械性能特性。由于合金胞体被完整的陶瓷胞壁所封闭，故陶瓷的耐磨，耐高温，抗腐蚀，抗氧化等特性将在这种复合结构中体现。使在复合材料中的陶瓷相的性能充分地表现出来。由于陶瓷层构成空间封闭胞状结构，完全隔离了胞内金属之间的联系，抑制了邻近胞体之间的原子的扩散，使合金晶粒长大受到限制，具有较好的综合机械性能。
图1烧结参数示意图。
图2Al2O3纳米粉末的SEM照片。
图3Al2O3纳米粉末的XRD曲线。
图4AlMnCe合金粉末的SEM照片。
图5AlMnCe合金粉末的XRD曲线。
图6Al2O3纳米粉和AlMnCe合金混合粉末研磨后形成的复合粉末的SEM照片。
图7烧结后胞状陶瓷/金属复合材料的SEM照片。
图8胞状陶瓷/金属复合材料样品的压缩曲线。
具体实施例如下本发明的目的是将表面包覆纳米陶瓷粉末的金属合金粉末利用放电等离子烧结方法制备的一种微胞陶瓷/金属块体复合材料及其制备方法。
所述微胞陶瓷/金属块体复合材料的组织结构微胞陶瓷/金属复合材料是由蜂窝状封闭微胞陶瓷与胞内金属或合金组成的复合结构，微胞尺寸为5～90微米，胞壁壁厚1～2微米。胞壁是致密的陶瓷烧结体。胞内是金属或合金，合金的组织保持均匀细小。
这种组织结构特点有利于保持样品中的组分所具有的诸多的理化及机械性能特性。由于合金胞体被完整的陶瓷胞壁所封闭，故陶瓷的耐磨，耐高温，抗腐蚀，抗氧化等特性将在这种复合结构中体现。使在复合材料中的陶瓷相的性能充分地表现出来。由于陶瓷层构成空间封闭胞状结构，完全隔离了胞内金属之间的联系，抑制了邻近胞体之间的原子的扩散，使合金晶粒长大受到限制，具有较好的综合机械性能。
所述微胞陶瓷/金属块体复合材料的制备技术方案是微胞陶瓷/金属块体复合材料的制备过程包括合金粉末的成分设计及制备、复合冷压胚的制备及放电等离子烧结，其过程为1)成分的选择材料成分的选择主要考虑材料的成本和性能。性能是指复合材料所需的机械性能以及功能性(如导电性、导热性、耐高温性能、耐化学腐蚀性能、磁性能等理化性能)。可以从各种理化性能和机械性能搭配考虑，选择的金属或合金微胞尺寸为5～90微米和胞壁壁厚为1～2微米的陶瓷包覆粉末。
2)复合冷压胚的制备将金属或合金基础粉末和陶瓷包覆粉末按(9～20)∶1(体积比)混合，用玛瑙研钵研磨至纳米包覆粉末完全均匀包覆于基础粉末表面，放入模具冷压定型后进行SPS烧结。
3)放电等离子烧结致密化采用放电等离子烧结系统，以金属或合金粉末颗粒的烧结条件为基础按相应的压力，温度，烧结电流烧结条件，进行复合粉末的致密化烧结成形。
下面举例予以说明。
以纯度为99.97wt％的Al、Mn和Ce为原料，用电弧炉熔炼为Al90Mn9Ce1合金锭子，然后用高压气雾化法喷制合金粉末。取粒度在25～45微米之间粉末待用。取Al90Mn9Ce1雾化粉末和湿化学法制备的Al2O3纳米粉按10∶1(重量比)混合，用玛瑙研钵研磨使Al2O3纳米粉全部均匀包覆于Al90Mn9Ce1雾化粉末表面，冷压制胚后进行SPS烧结。SPS实验在Sumitomo公司的SPS-1050型放电等离子烧结机上进行，使用石墨模具，阴模内腔直径20mm。阴模与阳模之间以及阳模与样品之间放有石墨纸，预紧后使电偶测温孔与样品中心位于同一高度，保证测温真实可靠。烧结参数控制是温度-时间模式，6Pa氩气气氛，烧结电流是由温度制度制约，SPS系统自动给定的，在200℃保温3min去气，再用1min升温到520℃(平均烧结电流为1000A)，保温3min(期间电流为600A)。阳模的纵向单轴压力50MPa，保持于整个烧结过程(具体参数如图1所示)。采用Al90Mn9Ce1(原子百分数)合金粉末分别与10、50、60、80或90纳米的Al2O3粉混合烧结。放电等离子烧结工艺参数如图1所示，SPS-1050型放电等离子烧结系统上进行合成烧结。Al90Mn9Ce1原始合金粉末的SEM形貌如图2，XRD分析结果如图3所示，Al2O3纳米粉的SEM形貌如图4所示，XRD曲线如图5所示。混合研磨形成的被覆复合粉末的形貌如图6所示，烧结后形成的微胞Al2O3陶瓷/Al90Mn9Ce1合金复合材料样品的组织结构由厚度为1微米左右的Al2O3陶瓷胞壁和胞内的Al90Mn9Ce1合金构成(如图7所示)。样品具有514MPa的高抗压强度和0.65％的高残余压缩率(如图8所示)。
权利要求
1.一种微胞陶瓷/金属块体复合材料，其特征在于所述微胞陶瓷/金属块体复合材料是由蜂窝状封闭微胞陶瓷与胞内金属或合金组成的复合结构，微胞尺寸为5～90微米，胞壁壁厚1～2微米；胞壁是致密的陶瓷烧结体，胞内是金属或合金，合金的组织保持均匀细小。
2.根据权利要求1所述微胞陶瓷/金属块体复合材料，其特征在于所述金属为单质金属或两种组元以上的合金，而封闭微胞陶瓷为Al2O3或ZrO2陶瓷材料。
3.一种权利要求1所述微胞陶瓷/金属块体复合材料的制备方法，其特征在于所述微胞陶瓷/金属块体复合材料的制备过程包括合金粉末的成分选择及制备、复合冷压胚的制备及放电等离子烧结，其过程为1)成分的选择材料成分的选择主要考虑材料的成本和性能，可以从各种理化性能和机械性能搭配考虑，选择的金属或合金的粒度为25～45微米，陶瓷胞壁壁厚为1～2微米，形成微胞尺寸为5～90微米的陶瓷包覆粉末；2)复合冷压胚的制备将金属或合金基础粉末和5～90纳米量级陶瓷包覆粉末按(9～20)∶1(体积比)混合，用玛瑙研钵研磨至陶瓷粉末完全均匀包覆于基础粉末表面，放入模具冷压定型后进行SPS烧结；3)放电等离子烧结致密化采用放电等离子烧结系统，以金属或合金粉末颗粒的烧结条件为基础按相应的压力，温度，烧结电流烧结条件，进行复合粉末的致密化烧结成形。
全文摘要
本发明公开了属于复合材料制备技术的一种新型结构的陶瓷/金属复合材料及其制备技术。陶瓷/金属复合材料是由蜂窝状封闭多胞状陶瓷与胞内金属或合金复合构成。微胞陶瓷/金属块体复合材料的制备过程为选择几微米～几十微米的金属或合金和几纳米～几十纳米的陶瓷包覆粉末，按一定体积比混合，用研磨法使纳米包覆粉末完全均匀包覆于基础粉末表面，经模具冷压定型烧结、致密化复合烧结成形。复合材料的工艺简单，操作方便，烧结过程程序化控制。采用本发明技术方案制备的胞状陶瓷/金属复合材料的特殊复合模式使其具有了传统金属基复合材料所不具备的陶瓷的性能特点，通过原料组分的调整，使该结构复合材料具有理想的理化及综合机械性能。
文档编号B32B3/12GK1621225SQ20041009719
公开日2005年6月1日 申请日期2004年12月14日 优先权日2004年12月14日
发明者赵占奎, 姚可夫 申请人:清华大学