本发明涉及材料技术领域，特别是涉及一种复合材料板材及其制备方法。
背景技术：
铝合金是目前应用最为广泛的一类的轻质金属结构材料，在对结构轻量化要求较高的各类蒙皮、框架板材、钣金件等构件应用中，广泛采用铝合金薄板材。然而，传统铝合金模量低导致板材类构件刚度差，尤其在航空航天、高铁运输及国防军工等高技术领域，需求具有更高刚度的板材结构材料。为了提高铝合金板材结构件的刚度，可以向铝合金基体中添加第二相增强相。第二相增强相，如碳化硅、碳化硼、氧化铝等的引入，可显著提高铝合金构件的刚度。但是，在塑性变形过程中，由于增强相与基体变形能力差异，容易在增强相附近发生应力集中，增强相与基体间发生界面脱粘、变形开裂等，导致薄板材成型工艺复杂、甚至不能成型。
碳纳米管(cnts)、石墨烯(gnss)等纳米碳材料，是近年来受到广泛关注的新型增强体，通过引入纳米碳材料，能够带来显著的强度、模量的提升，还能保持较高的塑性。但由于纳米碳分散、增强相/基体界面结合，以及纳米碳的结构完整性等问题，导致以普通搅拌铸造及轧制变形方式相结合所制备的纳米碳强化铝基复合材料性能低，难以实现复合材料板材的规模化应用。目前，粉末冶金是唯一有效的可规模化生产的纳米碳强化铝基复合材料制备手段，通过金属粉末与纳米碳的分散复合，再进一步烧结致密化实现纳米碳强化铝基复合材料制备。但尽管如此，由于高比表面积纳米碳的存在，阻碍了粉末冶金烧结过程中的金属基体结合，粉末冶金缺陷更加严重，变形加工仍然十分困难，尤其对于轧制板材加工，仅在轧向及法向存在变形约束，而横向由于缺少变形约束而容易边部开裂，导致板材成型质量差、成品率低。与此同时，对于传统轧制方式，随轧制变形量的加大，纳米碳取向性增强，以及轧制过程中基体的织构增加及加工硬化累积，导致变形更难进行，并且，所制备的板材力学性能也存在明显的各向异性，不利于板材的应用。目前，针对纳米碳强化铝基复合材料板材，尤其是高质量的宽幅薄板材制备，尚无有效的方法。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种复合材料板材及其制备方法，用于提供具有各向异性低、综合力学性能好、可规模化应用的高质量的宽幅薄板材。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种复合材料板材的制备方法，所述制备方法包括：
a.将金属基体和纳米碳的复合粉末经粉末冶金制备复合材料锭坯；
b.将步骤a所述复合材料锭坯在温度为400℃～550℃下挤压获得挤压板材；
c.将步骤b所述挤压板材热处理后，经至少一次的换向热轧得到热轧板，所述热轧开轧温度为420℃～550℃，终轧温度大于350℃；
d.将步骤c所述的热轧板，在温度不高于200℃下轧制得到复合材料板材。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤a中，所述金属基体为铝合金，所述纳米碳为碳纳米管和/或石墨烯，其中，所述碳纳米管在所述复合粉末中的质量百分比为0.5％～5％，所述石墨烯在所述复合粉末中的质量百分比小于等于1％。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤a得到的复合材料锭坯致密度95％～100％，所述纳米碳均匀分散于金属基体。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤b中挤压温度为450℃～520℃，挤压比为4～25，所述挤压比优选为6～15。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤b中得到的挤压板材的致密度为99％～100％，厚度为10mm～100mm。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤c中热处理温度为450℃～550℃，优选为480℃～520℃，热处理时间为0.5h～4h。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤c中，所述热轧开轧温度为450℃～520℃，热轧总压下量大于85％。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤c中，所述换向热轧是指热轧过程包含平行或垂直于挤压板材初始挤压方向的一次或多次轧制方向转换，其中，所述垂直于挤压板材初始方向的轧制的总压下量为20％～75％。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤d中，所述轧制是沿挤压板材的初始挤压方向轧制。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤d中，所述热轧板的轧制压下量为10％～50％。
在本发明的一些实施方式中，所述步骤d中得到的复合材料板材的厚度为0.3mm～5mm。
具体实施方式
本发明发明人经过大量探索实验，提供了轧制所需复合材料粉末冶金锭坯的成分，并规定了用于薄板材制备的粉末冶金锭坯板坯挤压及板坯后续轧制工艺。结合形变加工过程中热处理，严格控制挤压变形与轧制压下量及轧制方向等工艺参数，通过挤压与轧制变形加工的协调匹配，可以实现铝基复合材料宽幅薄板材加工，所制备的板材具有各向异性低、综合力学性能好。本发明所提供的制备方法适合0.3mm～5mm不同厚度的宽幅薄板材制备，工艺简单、成材率高，适合规模化推广。在此基础上完成了本发明。
下面详细说明本发明的复合材料板材及其制备方法。
本发明的第一方面提供一种复合材料板材的制备方法，所述制备方法包括：
a.将金属基体和纳米碳的复合粉末经粉末冶金制备复合材料锭坯；
b.将步骤a所述复合材料锭坯在温度为400℃～550℃下挤压获得挤压板材；
c.将步骤b所述挤压板材热处理后，经至少一次的换向热轧得到热轧板，所述热轧开轧温度为420℃～550℃，终轧温度大于350℃；
d.将步骤c所述的热轧板，在温度不高于200℃下轧制得到复合材料板材。
本发明所提供的复合材料板材的制备方法，所述步骤a中金属基体选自铝合金，优选选自变形铝合金或改进型铝合金，可以是本领域技术人员所知悉的任意品牌的变形铝合金或改进型铝合金。
本发明所提供的复合材料板材的制备方法，所述纳米碳为碳纳米管(cnts)和/或石墨烯(gnss)，其中，所述碳纳米管在所述复合粉末中的质量百分比为0.5％～5％，所述石墨烯在所述复合粉末中的质量百分比小于等于1％。
本发明所提供的复合材料板材的制备方法，所述步骤a粉末冶金制备复合材料锭坯，采用球磨、压坯及烧结，或直接真空热压成型制备而成，所述步骤a得到的复合材料锭坯致密度95％～100％，纳米碳均匀分散于金属基体。
本发明所提供的复合材料板材的制备方法，所述步骤b所述高温挤压制备挤压板材，所述挤压板材为复合材料厚板材，其中，挤压板材的致密度在99℃～100％，厚度为10mm～100mm，挤压温度在400℃～550℃，优选为450℃～520℃，挤压比为4～25，优选为6～15。
本发明所提供的复合材料板材的制备方法，所述步骤b所述锭坯热挤压成型后的挤压板材坯，进一步高温热处理促进组织均匀、消除成型缺陷、降低加工硬化，热处理温度是450℃～550℃，优选为480℃～520℃，热处理时间为0.5h～4h。
本发明所提供的复合材料板材的制备方法，步骤c中是将步骤b所述挤压板材热处理后高温热轧，热轧开轧温度为420℃～550℃，优选为450℃～520℃，包含平行或垂直于挤压板坯初始挤压方向的一次或多次轧制方向转换，其中，垂直于初始挤压方向的轧制总压下量为20％～75％，热轧总压下量不低于85％，终轧温度不低于350℃。所述挤压板材初始挤压方向是指复合材料锭坯挤压变形获得挤压板坯的挤压变形方向。
本发明所提供的复合材料板材的制备方法，步骤d所述在中低温下进一步轧制成复合材料板材，所述复合材料板材为薄板材，轧制是沿步骤c所述挤压板材的初始挤压方向进行，温度是在室温至不高于200℃的中低温温度区间，轧制总压下量为10％～50％，最终所获得的复合材料板材厚度为0.3mm～5mm。所述挤压板材初始挤压方向是指复合材料锭坯挤压变形获得挤压板坯的挤压变形方向。
本发明所提供的复合材料板材的制备方法，所述复合材料板材为纳米碳强化铝基复合材料板。
本发明可在较低成本及简单工艺控制下，制备出具有良好综合性能的宽幅铝基复合薄板材，与现有铝基复合材料板材薄板及其制备方法，不同之处在于：
1)相对于传统陶瓷强化金属基复合材料板材，本发明所涉及的纳米碳强化铝基复合板材成分具有更好的加工性能，最低厚度可达0.3mm：仅引入少量纳米碳即可显著提高板材的强度与模量，而板材加工性能不显著降低，而同时，在碳纳米管增强相基础上引入少量石墨烯，能够分担碳纳米管的载荷承载作用，并进一步降低应变局域化、促进加工硬化，改善板材的力学及加工性能。
2)结合变形加工过程中的热处理，通过挤压变形与轧制变形的严格控制与形变协调促进板材加工，避免变形开裂，提高成材率。挤压变形能够一定程度消除粉末冶金缺陷，结合热处理，通过轧制压下量及轧制温度的控制，实现变形协调，提高板材成材率，并且，通过挤压和轧制的变形协调，能够在锭坯纳米碳分散效果基础上，进一步通过挤压或轧制的切应力作用提高纳米碳的分散，从而改善复合材料力学性能。
3)热轧过程中经历一次或多次的换向轧制，并准确控制横向轧制压下量及总热轧压下量，能够制备高质量的宽幅薄板材。并且，一定变形量的换向轧制还可以改善板材中纳米碳的分散效果，降低或消除由于挤压及进一步轧制引入的形变织构，以及由于纳米碳取向增强而导致的板材各向异性，有利于板材综合使用性能的改善。
4)高温区，以及室温或不高于200℃的低温区两段轧制，工艺简单、成材率高、成本低：在大于400℃的高温区段进行高温热轧，铝基体流动性好，可避免热轧过程中板材的开裂，从而提高板材成材率；在室温至不高于200℃下的低温区间进行轧制，严格控制低温变形量，有利于板材表面质量、厚度的精确控制。
以下结合实施例进一步说明本发明的有益效果。
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例进一步详细描述本发明。但是，应当理解的是，本发明的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限制本发明，且本发明的实施例并不局限于说明书中给出的实施例。实施例中未注明具体实验条件或操作条件的按常规条件制作，或按材料供应商推荐的条件制作。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
在下述实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得。
实施例1
纳米碳强化铝基复合材料0.8mm板材的制备：
采用2024al合金粉末，与碳纳米管、石墨烯进行分散预处理后，利用球磨获得碳纳米管、石墨烯均匀分散的合金复合粉末，所述碳纳米管和石墨烯在所述复合粉末中的质量百分比分别为1.5wt％和0.05wt％；
所制备的合金复合粉末，经真空热压获得直径350mm的300kg粉末冶金锭坯，锭坯致密度98％；
粉末冶金锭坯在450℃挤压变形，挤压比约12.8，获得厚度25mm、宽度300mm的挤压板坯，挤压板材致密度99.9％；
挤压板坯在480℃热处理4h；
热处理后的挤压厚板进行高温热轧，开轧温度500℃，热轧总压下量95％，包含2次换向轧制，终轧温度400～420℃，垂直于挤压方向横向轧制总压下量40％，按如下顺序：
1)平行于初始挤压方向1道次的轧制，压下量20％；
2)垂直于初始挤压方向4道次的轧制，压下量40％；
3)平行于初始挤压方向3道次的轧制，压下量35％。
最终经一次换向轧制，获得厚度1.25mm、宽度约为600mm的热轧复合板。
所获得的热轧复合板，沿初始挤压方向在200℃下，总压下量36％，获得纳米碳强化铝合金复合材料板材，板材厚度0.8mm、宽度约600mm。
上述冷轧复合板材经固溶时效热处理后，沿任意方向测试，抗拉强度560±1mpa，弹性模量86±1gpa，拉伸延伸率10～12％。
实施例2
纳米碳强化铝基复合材料0.3mm板材的制备：
采用6061al合金粉末，与碳纳米管、石墨烯进行分散预处理后，球磨获得碳纳米管、石墨烯均匀分散的合金复合粉末；所述碳纳米管和石墨烯在所述复合粉末中的质量百分比分别为1.0wt％、0.4wt％。
所制备的合金复合粉末，经冷压、烧结，获得直径150mm的20kg粉末冶金锭坯，锭坯致密度97.5％；
粉末冶金锭坯在460℃挤压变形，挤压比约11.8，获得厚度15mm、宽度100mm的挤压板坯，挤压板材致密度99.8％；
挤压板坯在480℃热处理4h；
热处理后的挤压厚板进行高温热轧，开轧温度450℃，总压下量96％，包含2次换向轧制，垂直于挤压方向横向轧制总压下量50％，终轧温度380～400℃，按如下顺序：
1)平行于初始挤压方向1道次的轧制，压下量20％；
1)垂直于初始挤压方向3道次的轧制，压下量50％；
2)平行于初始挤压方向3道次的轧制，压下量26％；
最终获得厚度0.6mm、宽度约为260mm的热轧复合板。
所获得的热轧复合板，沿初始挤压方向在120℃下轧制，冷轧总压下量50％，获得纳米碳强化铝合金复合材料板材，板材厚度0.3mm、宽度约260mm。
上述冷轧复合板材经固溶时效热处理后，沿任意方向测试，抗拉强度380±1mpa，弹性模量83±1gpa，拉伸延伸率12～14％。
实施例3
纳米碳强化铝基复合材料5mm板材的制备：
按照7075al合金成分配比，以al、zn、mg、cu纯金属粉末为原料，与碳纳米管、石墨烯进行分散预处理后，球磨获得碳纳米管、石墨烯均匀分散的合金复合粉末；所述碳纳米管和石墨烯在所述复合粉末中的质量百分比分别为3wt％、0.02wt％。
所制备的合金复合粉末，经冷压、烧结，获得直径400mm的500kg粉末冶金锭坯，锭坯致密度97％；
粉末冶金锭坯在480℃挤压变形，挤压比6.28，获得厚度50mm、宽度400mm的挤压厚板材，挤压板致密度99.7％；
挤压厚板在520℃热处理2h；
热处理后的挤压厚板进行高温热轧，开轧温度500℃，热轧总压下量86％，包含4次换向轧制，垂直于挤压方向横向轧制总压下量35％，终轧温度350～380℃，按如下顺序：
1)平行于初始挤压方向1道次的轧制，压下量20％；
2)垂直于初始挤压方向2道次的轧制，压下量20％；
3)平行于初始挤压方向1道次的轧制，压下量10％；
4)垂直于初始挤压方向2道次的轧制，压下量25％；
5)平行于初始挤压方向2道次的轧制，压下量11％；
最终获得厚度7mm、宽度约为850mm的热轧复合板。
所获得的热轧板，沿初始挤压方向在200℃下低温轧制，轧制总压下量约28％，获得纳米碳强化铝合金复合材料板材，板材厚度5mm、宽度约880mm。
上述轧制复合板材经固溶时效热处理后，沿任意方向测试，抗拉强度680±30mpa，弹性模量90±1gpa，拉伸延伸率6～8％。
实施例4
纳米碳强化铝基复合材料1mm板材的制备：
采用2009al合金粉末，与碳纳米管进行分散预处理后，球磨获得碳纳米管均匀分散的具有合金复合粉末；所述碳纳米管所述复合粉末中的质量百分比为4wt％。
所制备的合金复合粉末，经热等静压压坯获得直径120mm的20kg粉末冶金锭坯，锭坯致密度99.6％；
粉末冶金锭坯在480℃挤压变形，挤压比约11.3，获得厚度10mm、宽度100mm的挤压板坯，挤压板坯致密度99.9％；
挤压板坯在520℃热处理0.5h；
挤压厚板热处理后进行高温热轧，开轧温度480℃，热轧总压下量88％，包含4次换向轧制，垂直于挤压方向横向轧制总压下量35％，终轧温度380～400℃，按如下顺序热轧：
1)平行于初始挤压方向1道次的轧制，压下量20％；
2)垂直于初始挤压方向1道次的轧制，压下量20％；
3)平行于初始挤压方向1道次的轧制，压下量15％；
4)垂直于初始挤压方向1道次的轧制，压下量15％；
5)平行于初始挤压方向2道次的轧制，压下量18％；
最终获得厚度1.2mm、宽度约为200mm的热轧复合板。
所获得的热轧复合板，沿初始挤压方向在室温下轧制，轧制压下量17％，获得纳米碳强化铝合金复合材料板材，板材厚度1.0mm、宽度约200mm。
上述冷轧复合板材经固溶时效热处理后，沿任意方向测试，抗拉强度600±20mpa，弹性模量94±1gpa，拉伸延伸率7～9％。
实施例5
纳米碳强化铝基复合材料0.5mm板材的制备：
采用6063al合金粉末，与碳纳米管、石墨烯进行分散预处理后，球磨获得碳纳米管、石墨烯均匀分散的合金复合粉末；所述碳纳米管和石墨烯在所述复合粉末中的质量百分比分别为3wt％、0.1wt％。
所制备的合金复合粉末，经热等静压获得直径200mm的20kg粉末冶金锭坯，锭坯致密度100％；
粉末冶金锭坯在480℃挤压变形，挤压比约14.5，获得厚度18mm、宽度120mm的挤压板坯，挤压板坯致密度100％；
挤压板坯在500℃热处理2h；
挤压厚板热处理后进行高温热轧，开轧温度520℃，热轧总压下量95.5％，包含1次换向轧制，垂直于挤压方向横向轧制总压下量50％，终轧温度400～420℃，按如下顺序热轧：
1)垂直于初始挤压方向3道次的轧制，压下量50％；
2)平行于初始挤压方向5道次的轧制，压下量45.5％；
最终获得厚度0.8mm、宽度约为240mm的热轧复合板。
所获得的热轧复合板，沿初始挤压方向在室温下轧制，轧制压下量37.5％，获得纳米碳强化铝合金复合材料板材，板材厚度0.5mm、宽度约240mm。
上述冷轧复合板材经固溶时效热处理后，沿任意方向测试，抗拉强度410±20mpa，弹性模量91±1gpa，拉伸延伸率9～11％。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。