一种高综合性能的含钨酸锆的铝基复合材料的制备方法

1.本发明涉及一种高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法。


背景技术：

2.环境温度变化时大部分固体材料会发生热胀冷缩。材料的热胀冷缩会降低器件的结构稳定性，从而使安全可靠性下降且缩短了使用寿命等，因此需要开发低热膨胀材料。以光纤陀螺为例，其作为导航系统的关键，对精度要求极高。低膨胀材料主要应用于惯性导航仪表如光纤陀螺中的光纤骨架，光纤缠绕在骨架上，构成光纤线圈。在光纤陀螺的工作温度范围内(-40℃～60℃)，光纤骨架需要与光纤(由外涂覆层、内涂覆层、包层和纤芯高应力区组成)保持热匹配，否则骨架材料与石英光纤之间的膨胀系数不匹配将产生热应力，引起偏置漂移，严重影响光纤陀螺的精度。
3.钨酸锆(zrw2o8)是一种具有负热膨胀系数的材料，其在0.3～1050k的温度区间内具有各相同性的负膨胀效应，且α-zrw2o8具有-8.7
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10-6k-1
的负膨胀系数。将其加入具有正热膨胀系数的铝中得到zrw2o8/al复合材料，可以有效调节其热膨胀系数，使其与光纤材料的热膨胀系数保持匹配，减小热应力，保证光纤陀螺的精度和可靠性。
4.为降低zrw2o8/al复合材料的热膨胀系数，需要加入高含量的zrw2o8增强体。但是，zrw2o8较软，导致zrw2o8/al复合材料强度较低。且在zrw2o8/al复合材料制备过程中，zrw2o8与al基体的热错配应力会促使α-zrw2o8向γ-zrw2o8的转变。γ-zrw2o8的负膨胀系数仅为-1
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10-6
k-1
，使得zrw2o8/al复合材料的低膨胀效果有限，因此，急需一种高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有zrw2o8/al复合材料强度较低，且γ-zrw2o8含量过多导致复合材料热膨胀系数较大的问题，提出了一种高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法。
6.本发明高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
7.一、称料：
8.称取zrw2o8粉、高强度陶瓷粉和铝基体为原料；
9.所述原料中铝基体的体积分数为5～40％，高强度陶瓷粉的体积分数为0.1～15％，zrw2o8粉为余量；
10.所述高强度陶瓷粉的平均粒径为0.5～15μm；zrw2o8粉由2-5种不同平均粒径的zrw2o8粉混合而成，zrw2o8粉的平均粒径为0.5～200μm；
11.所述高强度陶瓷粉为sic粉、b4c粉、al2o3粉中的一种或其中几种的组合；
12.所述铝基体为纯铝或铝合金；所述铝合金为al-si合金、al-si-cu合金、al-cu-mg合金、al-zn-cu合金、al-zn-mg-cu合金、al-si-cu-mg合金中的一种或其中几种的组合；
13.二、增强体预制体的制备：
14.将步骤一称取的高强度陶瓷粉和zrw2o8粉混合并进行球磨，然后将球磨所得粉末置于石墨模具中，预压得到增强体预制体；
15.所述球磨工艺为：球料比为(5～20):1，转速为100～250rpm，时间为1～15h；
16.所述预压的压力为90～200mpa；
17.三、预热和熔融态金属基体制备：
18.将步骤二得到的增强体预制体带模具移至加热炉中进行预热，得到预热的增强体预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝基体加热，得到熔融态的铝基体；
19.所述增强体预制体的预热温度为350～450℃，保温0.5～2h；
20.所述铝基体的加热温度为铝基体熔点以上250～350℃；
21.所述保护气氛为氩气气氛、氮气气氛或氦气气氛；
22.四、液态铝浸渗：
23.在空气环境下，将步骤三中所得的预热的增强体预制体带模具置于压力机台面上，将熔融态的铝基体倒入模具内增强体预制体的上面，进行压力浸渗，得到zrw2o8的铝基复合材料；
24.所述压力浸渗工艺为：压力为50～150mpa，浸渗的速度为1～3mm/s，熔融态的铝完全浸到增强体预制体中之后，冷却至室温，最后脱模，得到含zrw2o8的铝基复合材料；
25.所述冷却速度为80～100℃/h；
26.五、复合材料退火处理：
27.对含zrw2o8的铝基复合材料进行去应力退火，促使γ-zrw2o8向α-zrw2o8转变，得到综合性能优异的含zrw2o8的铝基复合材料；
28.所述退火工艺为：在150～450℃下保温0.1～7h，然后以20～200℃/h的冷却速度为冷却至室温。
29.本发明具备以下有益效果：
30.1、本发明含zrw2o8的铝基复合材料制备时由于zrw2o8颗粒和高强度陶瓷颗粒采用了多种粒径的混合配比，小粒径颗粒可以有效填充大粒径颗粒产生的孔隙，从而提高了增强体的体积分数。
31.2、本发明通过去应力退火处理减小内应力，可以进一步减少zrw2o8/al复合材料中γ-zrw2o8含量，从而降低复合材料的热膨胀系数。
32.3、本发明含zrw2o8的铝基复合材料制备时由于增加了高强度陶瓷颗粒，可以在保证复合材料低膨胀特性的基础上，提高复合材料的强度，从而有效改善复合材料的综合性能。
33.4、本发明提供了一种高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法，工艺过程简单，易于实现产业化生产及应用。
附图说明：
34.图1为实施例1制备出含zrw2o8的铝基复合材料的sem形貌；
35.图2为实施例1制备出含zrw2o8的铝基复合材料的面分布分析结果；
36.图3为实施例1制备出含zrw2o8的铝基复合材料的热膨胀曲线，图中a对应铸态复合材料，b对应退火态复合材料；
37.图4为实施例2制备出含zrw2o8的铝基复合材料的sem形貌；
38.图5为实施例2制备出含zrw2o8的铝基复合材料的热膨胀曲线，图中a对应铸态复合材料，b对应退火态复合材料。
具体实施方式
39.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合理组合。
40.具体实施方式一：本实施方式高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
41.一、称料：
42.称取zrw2o8粉、高强度陶瓷粉和铝基体为原料；
43.所述原料中铝基体的体积分数为5～40％，高强度陶瓷粉的体积分数为0.1～15％，zrw2o8粉为余量；
44.所述高强度陶瓷粉的平均粒径为0.5～15μm；zrw2o8粉由2-5种不同平均粒径的zrw2o8粉混合而成，zrw2o8粉的平均粒径为0.5～200μm；
45.所述高强度陶瓷粉为sic粉、b4c粉、al2o3粉中的一种或其中几种的组合；
46.二、增强体预制体的制备：
47.将步骤一称取的高强度陶瓷粉和zrw2o8粉混合并进行球磨，然后将球磨所得粉末置于石墨模具中，预压得到增强体预制体；
48.所述预压的压力为90～200mpa；
49.三、预热和熔融态金属基体制备：
50.将步骤二得到的增强体预制体带模具移至加热炉中进行预热，得到预热的增强体预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝基体加热，得到熔融态的铝基体；
51.所述增强体预制体的预热温度为350～450℃，保温0.5～2h；
52.所述铝基体的加热温度为铝基体熔点以上250～350℃；
53.四、液态铝浸渗：
54.在空气环境下，将步骤三中所得的预热的增强体预制体带模具置于压力机台面上，将熔融态的铝基体倒入模具内增强体预制体的上面，进行压力浸渗，得到zrw2o8的铝基复合材料；
55.所述压力浸渗工艺为：压力为50～150mpa，浸渗的速度为1～3mm/s，熔融态的铝完全浸到增强体预制体中之后，冷却至室温，最后脱模，得到含zrw2o8的铝基复合材料；
56.五、复合材料退火处理：
57.对含zrw2o8的铝基复合材料进行去应力退火，促使γ-zrw2o8向α-zrw2o8转变，得到综合性能优异的含zrw2o8的铝基复合材料；
58.所述退火工艺为：在150～450℃下保温0.1～7h，然后以20～200℃/h的冷却速度为冷却至室温。
59.本实施方式具备以下有益效果：
60.1、本实施方式含zrw2o8的铝基复合材料制备时由于zrw2o8颗粒和高强度陶瓷颗粒采用了多种粒径的混合配比，小粒径颗粒可以有效填充大粒径颗粒产生的孔隙，从而提高
了增强体的体积分数。
61.2、本实施方式通过去应力退火处理减小内应力，可以进一步减少zrw2o8/al复合材料中γ-zrw2o8含量，从而降低复合材料的热膨胀系数。
62.3、本实施方式含zrw2o8的铝基复合材料制备时由于增加了高强度陶瓷颗粒，可以在保证复合材料低膨胀特性的基础上，提高复合材料的强度，从而有效改善复合材料的综合性能。
63.4、本实施方式提供了一种高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法，工艺过程简单，易于实现产业化生产及应用。
64.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述铝基体为纯铝或铝合金；所述铝合金为al-si合金、al-si-cu合金、al-cu-mg合金、al-zn-cu合金、al-zn-mg-cu合金、al-si-cu-mg合金中的一种或其中几种的组合。
65.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述球磨工艺为：球料比为(5～20):1，转速为100～250rpm，时间为1～15h。
66.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：所述预压的压力为100mpa。
67.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三所述增强体预制体的预热温度为400℃，保温1h。
68.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：步骤三所述铝基体的加热温度为铝基体熔点以上300℃。
69.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三所述保护气氛为氩气气氛、氮气气氛或氦气气氛。
70.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：步骤四所述压力浸渗工艺为：压力为100mpa，浸渗的速度为1～3mm/s，熔融态的铝完全浸到增强体预制体中之后，冷却至室温，最后脱模，得到含zrw2o8的铝基复合材料。
71.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：步骤四所述冷却速度为80～100℃/h。
72.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五所述退火工艺为：在200℃下保温0.5h，然后以60℃/h的冷却速度为冷却至室温。
73.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
74.实施例1：
75.本实施例高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
76.一、称料：
77.称取zrw2o8粉、高强度陶瓷粉和铝基体为原料；
78.所述原料中高强度陶瓷粉的体积分数5％，zrw2o8粉体积分数为65％，铝基体的体积分数为30％；
79.所述高强度陶瓷粉为sic，平均粒径为6.5μm；zrw2o8粉由3种不同平均粒径的zrw2o8粉混合而成，平均粒径分别为25μm、75μm、100μm；
80.所述铝基体为al-12si合金(al-12si合金中si的质量分数为12％)；
81.二、增强体预制体的制备：
82.将步骤一称取的高强度陶瓷粉和zrw2o8粉混合并进行球磨，然后将球磨所得粉末置于石墨模具中，预压得到增强体预制体；
83.所述球磨工艺为：球料比为10:1，转速为100rpm，时间为12h；
84.所述预压的压力为90mpa；
85.三、预热和熔融态金属基体制备：
86.将步骤二得到的增强体预制体带模具移至加热炉中进行预热，得到预热的增强体预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝基体加热，得到熔融态的铝基体；
87.所述增强体预制体的预热温度为400℃，保温1h；
88.所述铝基体的加热温度为铝基体熔点以上900℃；
89.所述保护气氛为氮气气氛；
90.四、液态铝浸渗：
91.在空气环境下，将步骤三中所得的预热的增强体预制体带模具置于压力机台面上，将熔融态的铝基体倒入模具内增强体预制体的上面，进行压力浸渗，得到zrw2o8的铝基复合材料；
92.所述压力浸渗工艺为：压力为100mpa，浸渗的速度为1mm/s，熔融态的铝完全浸到增强体预制体中之后，冷却至室温，最后脱模，得到含zrw2o8的铝基复合材料；
93.所述冷却速度为90℃/h；
94.五、复合材料退火处理：
95.对含zrw2o8的铝基复合材料进行去应力退火，促使γ-zrw2o8向α-zrw2o8转变，得到综合性能优异的含zrw2o8的铝基复合材料；
96.所述退火工艺为：在200℃下保温0.5h，然后以60℃/h的冷却速度为冷却至室温。
97.图1为实施例1制备出含zrw2o8的铝基复合材料的sem形貌。从图1中可以看出，步骤1采用了三种不同粒径的zrw2o8颗粒和小粒径sic颗粒，小粒径颗粒可以有效填充大粒径颗粒产生的孔隙，从而提高了增强体的体积分数，zrw2o8和sic的总体积分数达到70％。图2为实施例1制备出含zrw2o8的铝基复合材料的面分布分析结果(经过能谱分析)，其中图2(d)图中的圆圈内为sic颗粒。可看出zrw2o8颗粒和sic颗粒均匀分布在基体中，未发生团聚。
98.实施例1制备的铸态复合材料中γ-zrw2o8的含量为23％(xrd测试)，退火后减小为3.2％(xrd测试)。图3为实施例1制备含zrw2o8的铝基复合材料的热膨胀曲线。在-40℃到60℃的温度区间(温区范围100℃)，铸态和退火态复合材料的热膨胀系数分别为6.2
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和2.6
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。退火处理减小了γ-zrw2o8的含量，从而降低了复合材料的热膨胀系数。
99.对比例1：本对比例与实施例1不同的是，步骤一所述原料为zrw2o8粉和铝基体，zrw2o8粉的体积分数为70％，铝基体的体积分数为30％，其他工艺参数与实施例1相同。
100.实施例1制备复合材料的退火前后的弯曲强度分别为86.9、76.8mpa，对比例1未添加sic，所制备的复合材料退火前后的弯曲强度为60.8、62.3mpa，实施例1与对比例1相比，退火前后弯曲强度分别提高了42.9％和23.3％。
101.实施例2：本实施例高综合性能的含zrw2o8的铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
102.一、称料：
103.称取zrw2o8粉、高强度陶瓷粉和铝基体为原料；
104.所述原料中高强度陶瓷粉的体积分数15％，zrw2o8粉体积分数为5％，铝基体的体积分数为30％；
105.所述高强度陶瓷粉为sic，平均粒径为6.5μm；zrw2o8粉由2种不同平均粒径的zrw2o8粉混合而成，平均粒径分别为25μm、75μm；
106.所述铝基体为al-12si合金；
107.二、增强体预制体的制备：
108.将步骤一称取的高强度陶瓷粉和zrw2o8粉混合并进行球磨，然后将球磨所得粉末置于石墨模具中，预压得到增强体预制体；
109.所述球磨工艺为：球料比为10:1，转速为100rpm，时间为8h；
110.所述预压的压力为120mpa；
111.三、预热和熔融态金属基体制备：
112.将步骤二得到的增强体预制体带模具移至加热炉中进行预热，得到预热的增强体预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝基体加热，得到熔融态的铝基体；
113.所述增强体预制体的预热温度为400℃，保温1h；
114.所述铝基体的加热温度为铝基体熔点以上900℃；
115.所述保护气氛为氮气气氛；
116.四、液态铝浸渗：
117.在空气环境下，将步骤三中所得的预热的增强体预制体带模具置于压力机台面上，将熔融态的铝基体倒入模具内增强体预制体的上面，进行压力浸渗，得到zrw2o8的铝基复合材料；
118.所述压力浸渗工艺为：压力为150mpa，浸渗的速度为1mm/s，熔融态的铝完全浸到增强体预制体中之后，冷却至室温，最后脱模，得到含zrw2o8的铝基复合材料；
119.所述冷却速度为90℃/h；
120.五、复合材料退火处理：
121.对含zrw2o8的铝基复合材料进行去应力退火，促使γ-zrw2o8向α-zrw2o8转变，得到综合性能优异的含zrw2o8的铝基复合材料；
122.所述退火工艺为：在200℃下保温0.5h，然后以60℃/h的冷却速度为冷却至室温。图4为实施例2制备出含zrw2o8的铝基复合材料的sem形貌。从图3中可以看出，步骤1采用了两种不同粒径的zrw2o8颗粒和小粒径sic颗粒，小粒径颗粒可以有效填充大粒径颗粒产生的孔隙，从而提高了增强体的体积分数，zrw2o8和sic的总体积分数达到70％。
123.实施例2制备的铸态复合材料中γ-zrw2o8的含量为31％(xrd测试)，退火后减小为5.1％(xrd测试)。图5为实施例2制备出含zrw2o8的铝基复合材料的热膨胀曲线。在-40℃到60℃的温度区间(温区范围100℃)，铸态和退火态复合材料的热膨胀系数分别为10.1
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k-1
和5.4
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10-6
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。退火处理减小了γ-zrw2o8的含量，从而降低了复合材料的热膨胀系数。
124.实施例2制备复合材料的退火前后的弯曲强度分别为152.2、143.1mpa，对比例1未添加sic，所制备的复合材料退火前后的弯曲强度为60.8、62.3mpa，实施例2与对比例1相比，退火前后弯曲强度分别提高了150.3％和129.7％。