专利名称：低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种晶须增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术：
晶须增强铝基复合材料是非连续增强铝基复合材料中的姣姣者，具有成本低廉、 各向同性、力学性能优良和易加工变形等一系列优点，因而具有十分广泛的应用前景。最初，多数科研工作者把研究重点放在了 SiC和Si3N4晶须增强的铝基复合材料上。但是，昂贵的价格在很大程度上限制了铝基复合材料广泛的应用。硼酸铝晶须于1989年在日本投入市场，由于其优异的性能价格比，倍受研究者的青睐。而且在国内硼酸铝晶须可以利用盐湖资源和海水淡化副产品合成，成本十分低廉，已经开始大批量生产。为此，深入开展硼酸铝晶须增强铝基复合材料的研究对于大规模应用铝基复合材料具有重要的工程实际意义。经过二十年的努力，对硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备、力学性能、界面反应、腐蚀等方面进行大量研究。然而，在硼酸铝晶须增强铝基复合材料中，界面润湿性差、界面反应严重，显著降低复合材料的性能，是复合材料研究领域的核心问题之一。界面优化的最有效方法是硼酸铝晶须表面涂层，在实用化的硼酸铝晶须增强铝基复合材料中都使用了涂层技术。通过晶须涂层处理，复合材料的力学性能有了很大程度的提高。但当复合材料作为承载件使用时，除了对其强度、刚度、耐磨性等要求较高之外，塑性指标同样是重要的材料参数。另外，塑性是复合材料高温塑性成型的基础，是制约复合材料成型的关键因素之一。遗憾的是，目前大多数晶须增强铝基复合材料的塑性较低，最大者也仅相当于塑性最低的铸造铝合金的水平。制造铝基复合材料的方法主要有粉末冶金，搅拌铸造和挤压铸造等。粉末冶金方法可以制备低增强体体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料，但晶须在复合材料的分散性很难控制，另外，铝合金粉末成本较高，而且冷压或热压必须在真空或保护气氛下进行。 搅拌铸造是一种制备低增强体体积分数的颗粒增强铝基复合材料的好方法，但我们前期的试验研究表明，由于硼酸铝晶须具有较小的尺寸(直径0. 5-1 μ m,长度10-30 μ m)、较大的比表面积，通过搅拌铸造的方法不能将硼酸铝晶须搅进铝液中。挤压铸造工艺过程简单，复合材料的空洞率低，可以完成净成型的复合材料制备。虽然晶须体积分数可调范围小，但通过晶须表面涂覆和改进预制件制备工艺，可以制备出低增强体体积分数、高强度的预制件， 并通过优化挤压铸造工艺，可以实现低增强体体积分数硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备，从而达到提高复合材料塑性的目的。目前还无这方面的报道。
发明内容
本发明要解决现有硼酸铝晶须增强铝基复合材料存在塑性低的技术问题，而提供了低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法。本发明中低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的一、硝酸锌和柠檬酸加入蒸馏水中，硝酸锌和柠檬酸的摩尔比为1 1，蒸馏水的质量是硝酸铬和柠檬酸总质量的50 200倍，然后在80 100°C条件下磁力搅拌加热回流 1 2h，制得透明的ZnO溶胶；二、将硼酸铝晶须加入步骤一获得的ZnO溶胶中，硼酸铝晶须的质量是ZnO溶胶中ZnO质量的5 20倍，然后超声波分散，再烘干；三、将经步骤二处理的硼酸铝晶须放入400 600°C环境中焙烧1 池，然后放入水中超声波分散1 池；四、 将经步骤三处理的硼酸铝晶须加入80 90°C浓度为0. 05 0. 2kg/L的大豆浆液中并搅拌均勻，每Ikg硼酸铝晶须加入5 IOL大豆浆液，然后加入凝固剂，再用模压成型的方法制备预制件，然后室温干燥，以1 ；TC /min速率升温至900 1000°C (升温过程中烧掉大豆蛋白质填充物)，保温焙烧1 2h，随炉冷却至室温，并利用高温下ZnO和硼酸铝晶须发生反应，从而制备出低体积分数、高强度的ZnAl2O4涂覆硼酸铝晶须预制件；五、将预制件放入模具中，然后在500 600°C条件下预热预制件及模具，再向模具中浇注熔融态的铝合金，其中预制件占铝基复合材料总体积的10 20%，再在20MI^压力下进行初步挤压，而后增大压力至IOOMPa并保压3min，制得低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料。本发明制备的铝基复合材料室温下拉伸的塑性大幅提高，与单纯硼酸铝晶须增强铝基复合材料相比，同等情况下铝基复合材料的拉伸强度随硼酸铝晶须体积分数的降低， 先增加后降低，延伸率显著提高约1. 9 2. 7倍。
图1是低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料与(体积分数为25% )硼酸铝晶须增强铝基复合材料的对比试验结果。图2是具体实施方式
二十中原始态的硼酸铝晶须的扫描电镜图；图3是具体实施方式
二十中步骤三制成的ZnAl2O4涂覆的硼酸铝晶须的扫描电镜形貌图；图4是具体实施方式
二十中步骤三制成的ZnAl2O4涂覆的硼酸铝晶须的X射线谱图，图4中“ ”衍射峰为ZnAl2O40
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式中低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的一、硝酸锌和柠檬酸加入蒸馏水中，硝酸锌和柠檬酸的摩尔比为1 1，蒸馏水的质量是硝酸铬和柠檬酸总质量的50 200倍，然后在80 100°C条件下磁力搅拌加热回流1 池，制得透明的ZnO溶胶；二、将硼酸铝晶须加入步骤一获得的ZnO 溶胶中，硼酸铝晶须的质量是ZnO溶胶中ZnO质量的5 20倍，然后超声波分散，再烘干； 三、将经步骤二处理的硼酸铝晶须放入400 600°C环境中焙烧1 池，然后放入水中超声波分散1 ；四、将经步骤三处理的硼酸铝晶须加入80 90°C浓度为0. 05 0. 2kg/L的大豆浆液中并搅拌均勻，每Ikg硼酸铝晶须加入5 IOL大豆浆液，然后加入凝固剂，再用模压成型的方法制备预制件，然后室温干燥，以1 ;TC /min速率升温至900 1000°C (升温过程中烧掉大豆蛋白质填充物)，保温焙烧1 2h，随炉冷却至室温，并利用高温下ZnO 和硼酸铝晶须发生反应，从而最终制备出低体积分数、高强度的ZnAl2O4涂覆硼酸铝晶须预制件；五、将预制件放入模具中，然后在500 600°C条件下预热预制件及模具，再向模具中浇注熔融态的铝合金，其中预制件占铝基复合材料总体积的10 20%，再在20MI^压力下进行初步挤压，而后增大压力至IOOMPa并保压3min，制得低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料。本实施方式中复合材料延伸率显著提高约1. 9 2. 7倍具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中蒸馏水的质量是硝酸铬和柠檬酸总质量的60 150倍。其它步骤和参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中蒸馏水的质量是硝酸铬和柠檬酸总质量的100倍。其它步骤和参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是在85 95°C 条件下磁力搅拌加热回流。其它步骤和参数与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是在90°C条件下磁力搅拌加热回流。其它步骤和参数与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二中硼酸铝晶须的质量是ZnO溶胶中ZnO质量的6 16倍。其它步骤和参数与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二中硼酸铝晶须的质量是ZnO溶胶中ZnO质量的10倍。其它步骤和参数与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤二中超声波分散时间为1 池，超声波功率为1000 2000W，超声波频率为50 80Hz。其它步骤和参数与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中将经步骤二处理的硼酸铝晶须放入450 550°C环境中焙烧1. 2 1.证。其它步骤和参数与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中将经步骤二处理的硼酸铝晶须放入500°C环境中焙烧。其它步骤和参数与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一至十之一不同的是步骤三中超声波分散所需超声波功率为1000 2000W，超声波频率为50 80Hz。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十之一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
一至十一之一不同的是步骤四大豆浆液制作过程将大豆经泡豆、磨浆、过滤和煮浆制成。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十二之一不同的是步骤四中凝固剂为硫酸钙或氯化镁。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十二之一相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一至十三之一不同的是步骤四中升温速率为1. 5 2. 5°C /min。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十三之一相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
一至十三之一不同的是步骤四中升温速率为2. O0C /min。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十三之一相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
一至十五之一不同的是步骤四中所用大豆浆液的温度为85°C。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十五相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
一至十六之一不同的是步骤四中在920 960°C保温焙烧。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十六之一相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
一至十六之一不同的是步骤四中在950°C保温焙烧。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十六之一相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
一至十八之一不同的是步骤五中预制件占铝基复合材料总体积的15%。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十八之一相同。
具体实施方式
二十本实施方式中低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的一、硝酸锌和柠檬酸加入蒸馏水中，硝酸锌和柠檬酸的摩尔比为1 1，蒸馏水的质量是硝酸铬和柠檬酸总质量的100倍，然后在90°C条件下磁力搅拌加热回流1. 5h，制得透明的ZnO溶胶；二、将硼酸铝晶须加入步骤一获得的ZnO溶胶中，硼酸铝晶须的质量是SiO溶胶中 ZnO质量的10倍，然后超声波分散，再烘干；三、将经步骤二处理的硼酸铝晶须放入500°C环境中焙烧1. 5h，然后放入水中超声波分散ι ；四、将经步骤三处理的ZnO涂覆的硼酸铝晶须加入85°C浓度为0. lkg/L大豆浆液中并搅拌均勻，其中每Ikg硼酸铝晶须加入5L大豆浆液，然后加入凝固剂(其快速凝固)， 再用模压成型的方法制备预制件，然后室温干燥，以2V /min速率升温至950°C (升温过程中烧掉大豆蛋白质填充物)，保温焙烧2. Oh,随炉冷却至室温，并利用高温下ZnO和硼酸铝晶须发生反应，从而最终制备出低体积分数、高强度的ZnAl2O4涂覆硼酸铝晶须预制件；五、将预制件放入模具中，然后在550°C条件下预热预制件及模具，再向模具中浇注熔融态的铝合金，再在20ΜΙ^压力下进行初步挤压，而后增大压力至IOOMPa并保压3min， 制得低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料。低体积分数硼酸铝晶须增强铝基复合材料与(体积分数为25%)硼酸铝晶须增强铝基复合材料的对比试验结果如图1所示。随着增强体体积分数的降低，复合材料的拉伸强度先增加后降低，变化幅度不大，但延伸率明显增加。本实施方式所用的原始态硼酸铝晶须形貌如图2所示，本实施方式步骤三制成的 ZnAl2O4涂覆的硼酸铝晶须形貌如图3所示，步骤三制成的ZnAl2O4涂覆的硼酸铝晶须的X 射线图谱如图4所示。观察和分析图3和图4可以确定硼酸铝晶须表面均勻分散的颗粒由 SiAl2O4 组成。
权利要求
1.低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的一、硝酸锌和柠檬酸加入蒸馏水中，硝酸锌和柠檬酸的摩尔比为1 1，蒸馏水的质量是硝酸铬和柠檬酸总质量的50 200倍，然后在80 100°C条件下磁力搅拌加热回流1 池，制得透明的ZnO溶胶；二、将硼酸铝晶须加入步骤一获得的ZnO溶胶中，硼酸铝晶须的质量是ZnO溶胶中ZnO 质量的5 20倍，然后超声波分散，再烘干；三、将经步骤二处理的硼酸铝晶须放入400 600°C环境中焙烧1 池，然后放入水中超声波分散1 ；四、将经步骤三处理的硼酸铝晶须加入80 90°C浓度为0.05 0. 2kg/L的大豆浆液中并搅拌均勻，每Ikg硼酸铝晶须加入5 IOL大豆浆液，然后加入凝固剂，再用模压成型的方法制备预制件，然后室温干燥，以1 ;TC /min速率升温至900 1000°C，保温焙烧 1 2h，随炉冷却至室温，并利用高温下ZnO和硼酸铝晶须发生反应，从而最终制备出低体积分数、高强度的ZnAl2O4涂覆硼酸铝晶须预制件；五、将预制件放入模具中，然后在500 600°C条件下预热预制件及模具，再向模具中浇注熔融态的铝合金，其中预制件占铝基复合材料总体积的10 20%，再在20MI^压力下进行初步挤压，而后增大压力至IOOMPa并保压3min，制得低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中硼酸铝晶须的质量是ZnO溶胶中ZnO质量的6 16倍。
3.根据权利要求1所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中硼酸铝晶须的质量是ZnO溶胶中ZnO质量的10倍。
4.根据权利要求1、2或3所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中超声波分散时间为1 池，超声波功率为1000 2000W，超声波频率为50 80Hz。
5.根据权利要求4所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法， 其特征在于步骤三中将经步骤二处理的硼酸铝晶须放入450 550°C环境中焙烧.1. 2 1. 5h。
6.根据权利要求5所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中超声波分散所需超声波功率为1000 2000W，超声波频率为50 80Hz。
7.根据权利要求6所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四大豆浆液制作过程将大豆经泡豆、磨浆、过滤和煮浆制成。
8.根据权利要求7所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中凝固剂为硫酸钙或氯化镁。
9.根据权利要求8所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中升温速率为1. 5 2. 50C /min。
10.根据权利要求9所述的低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法， 其特征在于步骤五中预制件占铝基复合材料总体积的15%。
全文摘要
低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，它涉及一种晶须增强铝基复合材料的制备方法。本发明要解决现有硼酸铝晶须增强铝基复合材料存在塑性低的技术问题。本发明方法1.硝酸锌和柠檬酸加入蒸馏水中，磁力搅拌加热回流，得ZnO溶胶；2.将硼酸铝晶须加入ZnO溶胶中，超声波分散，烘干；3.焙烧得到ZnO涂覆的晶须，在水中超声波分散；4.加入大豆浆液中并搅拌均匀，加凝固剂，模压成型制备预制件，室温干燥，以一定速率升温，高温焙烧，随炉冷却，制得预制件；5.将预制件放入模具中，预热，浇注熔融态的铝合金，挤压，保压，制得低体积分数的硼酸铝晶须增强铝基复合材料。延伸率显著提高约1.9～2.7倍。
文档编号C22C49/14GK102296255SQ201110256440
公开日2011年12月28日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者俞泽民, 岳红彦, 王丽萍, 郭二军, 黄硕 申请人:哈尔滨理工大学