CN100537807C

CN100537807C - ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN100537807C
Application number: CNB2007101448551A
Authority: CN
Inventors: 关丽娜; 耿林; 郑镇洙; 吕奎明; 李爱滨
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: CN101195885A

Abstract

ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法，它涉及一种复合材料及其制备方法。它解决现有复合材料中硼酸铝晶须与基体润湿性差、与基体中元素发生界面反应、且制备硼酸铝增强铝基复合材料工艺复杂、成本高和材料组织不均匀的问题。其方法是制备ZnO包覆硼酸铝晶须，再熔炼合金，然后在半固态下的合金中加入预热好的ZnO包覆硼酸铝晶须，进行半固态机械搅拌得半固态浆料，经半固态挤压成形得ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料。本发明增加了硼酸铝晶须与基体润湿性，阻止了基体中元素发生界面反应，制备硼酸铝增强铝基复合材料的工艺简单、成本低且材料组织均匀。

Description

ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，硼酸铝增强铝基复合材料的主要制备工艺为粉末冶金和挤压铸造两种。粉末冶金工艺中，一些长度较大的晶须与金属粉末混合时不容易均匀化，同时，为不破坏晶须，也不能充分球磨，实际上晶须在基体中的微观偏析是比较严重的，必须通过后续挤压工艺予以完善，另外，由于设备和工艺复杂，而且冷热压必须在真空或保护气氛下进行，所以粉末冶金法的成本高，使其应用受到限制。挤压铸造工艺的反应温度高，反应强度剧烈，预制件的制备也很难控制，且此种方法由于工艺复杂，成本高，不适用于大规模生产。采用现有工艺制备硼酸铝晶须增强铝基复合材料，硼酸铝晶须与基体合金发生反应生成脆性的镁铝尖晶石，破坏晶须的完整性，影响材料的性能，且晶须与基体之间的润湿性很差，而且很难制得晶须体积分数低的复合材料，晶须占复合材料总体积的20～40％，材料组织不均匀。

发明内容

本发明目的是为了解决现有复合材料中硼酸铝晶须与基体润湿性差、与基体中元素发生界面反应、且制备硼酸铝增强铝基复合材料工艺复杂、成本高和材料组织不均匀的问题，而提供一种ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料及其制备方法。

本发明ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料由ZnO包覆硼酸铝晶须和铝合金基体加工合成，其中ZnO包覆硼酸铝晶须占复合材料总体积的1～15％。

ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法按以下步骤实现：一、将浓度为100g/L的硼酸铝晶须与浓度为70％的氢氟酸按1∶480～520的摩尔比混合，静置5～7h后用蒸馏水清洗沉淀物使pH值为6～8，然后烘干，得纯净的硼酸铝晶须；二、按比例将1摩尔纯净的硼酸铝晶须、27600～28000摩尔蒸馏水和45～55摩尔氯化锌混合搅拌，超声分散30～60min后过滤、烘干，然后放入加热炉中，以20℃/min的速度升温到480～520℃并煅烧1～3h，然后随炉冷却取出；三、在煅烧后产物中加入蒸馏水，搅拌并超声分散25～35min后烘干，经研磨分散得ZnO包覆硼酸铝晶须，并在450～550℃的条件下预热；四、将铝合金基体熔炼，再降温至半固态温度区间并控制固相分数为35％～75％，然后加入预热的ZnO包覆硼酸铝晶须，在氩气环境中进行半固态机械搅拌，得半固态浆料；五、将半固态浆料浇注到预热温度为430～470℃的模具中，在180～220MPa的压力下以15mm/s的下压速度压实，再保压3～5min；六、将压实后浆料和模具在420～460℃的条件下保温15～25min，然后在180～220MPa的压力下以15mm/s的挤压速度挤压成材，得ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料。

本发明中氯化锌与硼酸铝反应形成ZnO包覆在硼酸铝晶须表面，加大了硼酸铝晶须与基体的润湿性，改善了硼酸铝晶须与基体的界面，ZnO能有效的阻止硼酸铝晶须和基体中元素的反应，性能显著提高；采用半固态机械搅拌的方法制备半固态浆料，直接挤压成形制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料，实现复合材料的短流程制备，实验设备简单，节省能源，可用于大规模生产。本发明改善了硼酸铝晶须漂浮、偏析、不润湿的问题；加工温度低、变形抗力低，做到少或无切削加工，节约能源；可一次成形，减少了工序，提高生产率；半固态成形件组织均匀、细小、致密、产品性能高；应用范围广，凡具有固液两相区的铝合金均可应用；制备得到ZnO包覆硼酸铝晶须占复合材料总体积的1～15％的硼酸铝晶须增强铝基复合材料，材料组织均匀。

附图说明

图1是具体实施方式三中制备所得ZnO包覆硼酸铝晶须的扫描电镜照片，图2是具体实施方式十二中未包覆ZnO的硼酸铝晶须增强6061铝基复合材料的扫描电镜照片，图3是具体实施方式十二中所得ZnO包覆硼酸铝晶须增强6061铝基复合材料的扫描电镜照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料由ZnO包覆硼酸铝晶须和铝合金基体加工合成，其中ZnO包覆硼酸铝晶须占复合材料总体积的1～15％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同是ZnO包覆硼酸铝晶须占复合材料总体积的8％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法按以下步骤实现：一、将浓度为100g/L的硼酸铝晶须与浓度为70％的氢氟酸按1∶480～520的摩尔比混合，静置5～7h后用蒸馏水清洗沉淀物使pH值为6～8，然后烘干，得纯净的硼酸铝晶须；二、按比例将1摩尔纯净的硼酸铝晶须、27600～28000摩尔蒸馏水和45～55摩尔氯化锌混合搅拌，超声分散30～60min后过滤、烘干，然后放入加热炉中，以20℃/min的速度升温到480～520℃并煅烧1～3h，然后随炉冷却取出；三、在煅烧后产物中加入蒸馏水，搅拌并超声分散25～35min后烘干，经研磨分散得ZnO包覆硼酸铝晶须，并在450～550℃的条件下预热；四、将铝合金基体熔炼，再降温至半固态温度区间并控制固相分数为35％～75％，然后加入预热的ZnO包覆硼酸铝晶须，在氩气环境中进行半固态机械搅拌，得半固态浆料；五、将半固态浆料浇注到预热温度为430～470℃的模具中，在180～220MPa的压力下以15mm/s的下压速度压实，再保压3～5min；六、将压实后浆料和模具在420～460℃的条件下保温15～25min，然后在180～220MPa的压力下以15mm/s的挤压速度挤压成材，得ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料。

本实施方式步骤二中将纯净的硼酸铝晶须、蒸馏水和氯化锌混合，是先加入纯净的硼酸铝晶须，超声分散30min，再缓慢加入氯化锌，然后加氨水调节pH值达7～9，再超声分散30min。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同是步骤一中将浓度为100g/L的硼酸铝晶须与浓度为70％的氢氟酸按1∶500的摩尔比混合。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三的不同是步骤一中静置6h后用蒸馏水清洗沉淀物使pH值为7。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三的不同是步骤二中按比例将1摩尔纯净的硼酸铝晶须、27800摩尔蒸馏水和50摩尔氯化锌混合搅拌，超声分散45min。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三的不同是步骤二中升温到500℃并煅烧2h。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三的不同的是步骤三中超声分散30min后烘干，经研磨分散得ZnO包覆硼酸铝晶须，并在500℃的条件下预热。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三的不同是步骤四中将铝合金基体熔炼，再降温至半固态温度区间并控制固相分数为50％。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三的不同是步骤五中将半固态浆料浇注到预热温度为450℃的模具中，在200MPa的压力下以15mm/s的下压速度压实，再保压4min。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式三的不同是步骤六中将压实后浆料和模具在440℃的条件下保温20min，然后在200MPa的压力下以15mm/s的挤压速度挤压成材。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式十二：本实施方式制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法按以下步骤实现：一、将浓度为100g/L的硼酸铝晶须与浓度为70％的氢氟酸按摩尔比1∶500混合后得沉淀物，静置6h后用蒸馏水清洗至pH值达7，然后烘干，得纯净的硼酸铝晶须；二、按比例将1摩尔纯净的硼酸铝晶须、27800摩尔蒸馏水和50摩尔氯化锌混合搅拌，超声分散45min后过滤、烘干，然后放入加热炉中，以20℃/min的速度升温到500℃并煅烧2h，然后随炉冷却取出；三、在煅烧后产物中加入蒸馏水，搅拌并超声分散30min后烘干，经研磨分散得ZnO包覆硼酸铝晶须，在500℃的条件下预热；四、将6061铝合金基体熔炼，再降温至585℃～652℃的半固态温度区间并控制固相分数为50％，然后加入预热的ZnO包覆硼酸铝晶须，在氩气环境中，以610℃的搅拌温度、300r/min的搅拌强度进行半固态机械搅拌，得半固态浆料；五、将半固态浆料浇注到预热温度为450℃的模具中，在200MPa的压力下以15mm/s的下压速度压实，保压4min；六、将压实后浆料和模具在440℃的条件下保温20min，然后在200MPa的压力下以15mm/s的挤压速度挤压成材，得ZnO包覆硼酸铝晶须增强6061铝基复合材料，其中ZnO包覆硼酸铝晶须占复合材料总体积的5％。

本实施方式所得ZnO包覆硼酸铝晶须增强6061铝基复合材料与在相同条件下制备的未包覆ZnO的硼酸铝晶须增强6061铝基复合材料相比，如图2和3所示，图2中可看出未包覆ZnO的硼酸铝晶须增强6061铝基复合材料在半固态搅拌工艺中只搅入少量的晶须，硼酸铝晶须与基体之间的润湿性很差，且晶须与基体中元素发生严重的界面反应，晶须已经被严重破坏，但从图3中可看出ZnO包覆硼酸铝晶须与基体之间的界面反应基本被阻止，增加了晶须与基体之间的润湿性，且晶须的搅入量明显增加，材料组织均匀。

Claims

1、ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料，其特征在于ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料由ZnO包覆硼酸铝晶须和铝合金基体加工合成，其中ZnO包覆硼酸铝晶须占复合材料总体积的1～15％。

2、制备权利要求1所述的ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于该方法按以下步骤实现：一、将浓度为100g/L的硼酸铝晶须与浓度为70％的氢氟酸按1∶480～520的摩尔比混合，静置5～7h后用蒸馏水清洗沉淀物使pH值为6～8，然后烘干，得纯净的硼酸铝晶须；二、按比例将1摩尔纯净的硼酸铝晶须、27600～28000摩尔蒸馏水和45～55摩尔氯化锌混合搅拌，超声分散30～60min后过滤、烘干，然后放入加热炉中，以20℃/min的速度升温到480～520℃并煅烧1～3h，然后随炉冷却取出；三、在煅烧后产物中加入蒸馏水，搅拌并超声分散25～35min后烘干，经研磨分散得ZnO包覆硼酸铝晶须，并在450～550℃的条件下预热；四、将铝合金基体熔炼，再降温至半固态温度区间并控制固相分数为35％～75％，然后加入预热的ZnO包覆硼酸铝晶须，在氩气环境中进行半固态机械搅拌，得半固态浆料；五、将半固态浆料浇注到预热温度为430～470℃的模具中，在180～220MPa的压力下以15mm/s的下压速度压实，再保压3～5min；六、将压实后浆料和模具在420～460℃的条件下保温15～25min，然后在180～220MPa的压力下以15mm/s的挤压速度挤压成材，得ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料。

3、根据权利要求2所述的制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中将浓度为100g/L的硼酸铝晶须与浓度为70％的氢氟酸按摩尔比1∶500混合。

4、根据权利要求2所述的制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中静置6h后用蒸馏水清洗至pH值达7。

5、根据权利要求2所述的制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤二中按比例将1摩尔纯净的硼酸铝晶须、27800摩尔蒸馏水和50摩尔氯化锌混合搅拌，超声分散45min。

6、根据权利要求2所述的制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤二中升温到500℃并煅烧2h。

7、根据权利要求2所述的制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤三中超声分散30min后烘干，经研磨分散得ZnO包覆硼酸铝晶须，并在500℃的条件下预热。

8、根据权利要求2所述的制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤四中控制固相分数为50％。

9、根据权利要求2所述的制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤五中将半固态浆料浇注到预热温度为450℃的模具中，在200MPa的压力下以15mm/s的下压速度压实，保压4min。

10、根据权利要求2所述的制备ZnO包覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于步骤六中将压实后浆料和模具在440℃的条件下保温20min，然后在200MPa的压力下以15mm/s的挤压速度挤压成材。