本发明涉及一种复合材料及制备方法，具体为一种铝基/三维连通多孔钛复合材料及制备方法，属于新材料制备技术领域。
背景技术：
铝基复合材料具有高比模量、耐高温、抗氧化、轻质、耐腐蚀等特点，以成为航空、航天及其它领域发展高性能结构材料的一个方向，也是近年来国内外新材料研究的热点之一。
铝基复合材料是以铝或铝合金作为基体，包括非连续增强铝基复合材料和连续增强铝基复合材料。其中非连续增强铝基复合材料的增强相包括晶须、颗粒和短纤维等增强体。非连续增强铝基复合材料未能得到广泛应用的主要原因就是与传统铝合金材料相比，由于增强相不连续的分布于基体中，导致复合材料的塑性低、韧性差，非连续增强铝基复合材料的塑性与相应未增强的基体合金相比，几乎低一个数量级。这使得非连续增强铝基复合材料作为工程构件使用非常不安全，而且二次加工比较困难，从而在生产形状较复杂的零件时，大大增加了材料的成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铝基复合材料及制备方法，该复合材料基体相和增强相空间三维连通且分布均匀，两相相互强化，解决了现有非连续增强铝基复合材料存在的塑性低和韧性差的问题。该铝基复合材料基体组织晶粒细小，在大尺寸样品实验条件下具有优良力学性能，具有比强度高、性能稳定、无缺陷的特点。
本发明的技术方案是：
本发明一种铝基/三维连通多孔钛复合材料，复合材料的成分为：一种目前用于结构材料的高性能铝合金Al-Zn-Mg-Cu和三维连通多孔钛骨架。Al-Zn-Mg-Cu合金成分(质量百分比)为：90.5%Al，6%Zn，1.5%Mg，2%Cu，而多孔钛骨架的孔隙度为15%~80%，孔径大小为20~300μm，钛的纯度为99.9%。
本发明提供了上述铝基/三维连通多孔钛复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9 %（质量百分比）的Al、Zn、Mg和Cu。利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为150~200克。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入石墨坩埚里面。
（2）母合金熔炼：将装有单质原料的石墨坩埚放入真空中频感应炉内，关好真空中频感应炉炉门。将真空中频感应炉工作腔抽真空至 2×10-4 帕，再通入纯度为 99.99%（质量百分比） 的高纯氩气，以控制单质原料在熔炼过程中的挥发量。开始熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭。熔炼过程包括加热和保温两个步骤。为保证母合金铸锭的成分均匀，加热和保温过程交替进行5次，共需要15分钟。熔炼完成后，母合金铸锭随真空中频感应炉冷却至室温，然后打开真空中频感应炉取出母合金铸锭。
（3）制备铝基/三维连通多孔钛复合材料：在高真空条件下，将母合金铸锭和三维连通多孔钛骨架加热到680-720oC，将合金熔液高压渗入或者挤入三维连通多孔钛骨架，待合金熔液充分渗流填充满多孔钛骨架孔隙后，将钢管淬入水中，获得铝基/三维连通多孔钛复合材料。
本发明具有以下优点：
1.由于钛的密度和铝合金的密度非常接近，可以在很大范围内调整三维连通多孔钛的孔隙度，使得复合材料的密度与铝基体的密度也非常接近，从而保留了铝合金其它的优点。
2.铝合金与三维连通多孔钛骨架复合后，基体组织晶粒细小，基体相和增强相分布均匀，而且双相三维连通的结构，使得铝基合金与韧性三维连通多孔钛骨架的协同变形，因而制备的铝基/三维连通多孔钛复合材料具有既强且韧的性能。本发明制备的铝基/三维连通多孔钛复合材料抗拉强度为150-220MPa，延伸率为1%-2%，与现有非连续增强铝基复合材料相比抗拉强度提高60%-100%，延伸率提高了100%-200%。
3. 本实验所采用的制备方法为熔渗水淬法，熔渗水淬法能制备出较大尺寸且性能优异稳定的样品，制备得到的样品具有较少的缺陷，如气孔、夹杂等，而且工艺条件简单易于控制。上述优点表面，本发明具有很大的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明实例例1条件下制备的铝基/三维连通多孔钛复合材料的金相显微组织照片。
具体实施方式
以下通过实施例详述本发明。
实施例1
本发明提供一种铝基/三维连通多孔钛复合材料，具体实施方案选用复合材料的成分为：一种目前用于结构材料的高性能铝合金Al-Zn-Mg-Cu和三维连通多孔钛骨架。Al-Zn-Mg-Cu合金成分(质量百分比)为：90.5%Al，6%Zn，1.5%Mg，2%Cu，而多孔钛骨架的孔隙度为30%，孔径大小为100μm，钛的纯度为99.9%。
本发明提供了上述铝基/三维连通多孔钛复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9 %（质量百分比）的Al、Zn、Mg和Cu。利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为150克。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入石墨坩埚里面。
（2）母合金熔炼：将装有单质原料的石墨坩埚放入真空中频感应炉内，关好真空中频感应炉炉门。将真空中频感应炉工作腔抽真空至 2×10-4 帕，再通入纯度为 99.99%（质量百分比） 的高纯氩气，以控制单质原料在熔炼过程中的挥发量。开始熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭。熔炼过程包括加热和保温两个步骤。为保证母合金铸锭的成分均匀，加热和保温过程交替进行5次，共需要15分钟。熔炼完成后，母合金铸锭随真空中频感应炉冷却至室温，然后打开真空中频感应炉取出母合金铸锭。
（3）制备铝基/三维连通多孔钛复合材料：该发明采用的制备方法为熔渗水淬法。在高真空条件下，将母合金铸锭和三维连通多孔钛骨架加热到680oC，将合金熔液高压渗入或者挤入三维连通多孔钛骨架，待合金熔液充分渗流填充满多孔钛骨架孔隙后，将钢管淬入水中，获得铝基/三维连通多孔钛复合材料。
如图1所示，铝合金基体和三维连通多孔钛骨架复合后没有发生任何化学反应，基体相和增强相分布均匀。
实施例2
本发明提供一种铝基/三维连通多孔钛复合材料，具体实施方案选用复合材料的成分为：一种目前用于结构材料的高性能铝合金Al-Zn-Mg-Cu和三维连通多孔钛骨架。Al-Zn-Mg-Cu合金成分(质量百分比)为：90.5%Al，6%Zn，1.5%Mg，2%Cu，而多孔钛骨架的孔隙度为80%，孔径大小为50μm，钛的纯度为99.9%。
本发明提供了上述铝基/三维连通多孔钛复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9 %（质量百分比）的Al、Zn、Mg和Cu。利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为180克。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入石墨坩埚里面。
（2）母合金熔炼：将装有单质原料的石墨坩埚放入真空中频感应炉内，关好真空中频感应炉炉门。将真空中频感应炉工作腔抽真空至 2×10-4 帕，再通入纯度为 99.99%（质量百分比） 的高纯氩气，以控制单质原料在熔炼过程中的挥发量。开始熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭。熔炼过程包括加热和保温两个步骤。为保证母合金铸锭的成分均匀，加热和保温过程交替进行5次，共需要15分钟。熔炼完成后，母合金铸锭随真空中频感应炉冷却至室温，然后打开真空中频感应炉取出母合金铸锭。
（3）制备铝基/三维连通多孔钛复合材料：该发明采用的制备方法为熔渗水淬法。在高真空条件下，将母合金铸锭和三维连通多孔钛骨架加热到720oC，将合金熔液高压渗入或者挤入三维连通多孔钛骨架，待合金熔液充分渗流填充满多孔钛骨架孔隙后，将钢管淬入水中，获得铝基/三维连通多孔钛复合材料。
实施例3
本发明提供一种铝基/三维连通多孔钛复合材料，具体实施方案选用复合材料的成分为：一种目前用于结构材料的高性能铝合金Al-Zn-Mg-Cu和三维连通多孔钛骨架。Al-Zn-Mg-Cu合金成分(质量百分比)为：90.5%Al，6%Zn，1.5%Mg，2%Cu，而多孔钛骨架的孔隙度为80%，孔径大小为50μm，钛的纯度为99.9%。
本发明提供了上述铝基/三维连通多孔钛复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9 %（质量百分比）的Al、Zn、Mg和Cu。利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为200克。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入石墨坩埚里面。
（2）母合金熔炼：将装有单质原料的石墨坩埚放入真空中频感应炉内，关好真空中频感应炉炉门。将真空中频感应炉工作腔抽真空至 2×10-4 帕，再通入纯度为 99.99%（质量百分比） 的高纯氩气，以控制单质原料在熔炼过程中的挥发量。开始熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭。熔炼过程包括加热和保温两个步骤。为保证母合金铸锭的成分均匀，加热和保温过程交替进行5次，共需要15分钟。熔炼完成后，母合金铸锭随真空中频感应炉冷却至室温，然后打开真空中频感应炉取出母合金铸锭。
（3）制备铝基/三维连通多孔钛复合材料：该发明采用的制备方法为熔渗水淬法。在高真空条件下，将母合金铸锭和三维连通多孔钛骨架加热到700oC，将合金熔液高压渗入或者挤入三维连通多孔钛骨架，待合金熔液充分渗流填充满多孔钛骨架孔隙后，将钢管淬入水中，获得铝基/三维连通多孔钛复合材料。