顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法
2023-12-03 10:47:26 1
顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法
【專利摘要】本發明涉及複合材料【技術領域】，具體是一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法。其特徵在於：採用低成本、無汙染的Na2B4O7作為B元素供體代替KBF4，利用熔體攪拌和超聲化學混合作用控制原位合成顆粒尺寸，製備出納米級的ZrB2顆粒增強鋁基複合材料。該製備方法具有工藝簡單，成本低廉的特點，且採用Na2B4O7作為B元素供體代替了傳統的KBF4，可有效減少氟鹽的用量、降低環境汙染，提高B元素收得率，本發明有助於推動鋁基納米複合材料的規模化應用。
【專利說明】一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋁基納米複合材料製備【技術領域】，具體是一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法。
【背景技術】
[0002]具有納米尺度的顆粒增強鋁基複合材料是相對於傳統的微米顆粒增強鋁基複合材料更具競爭力的新型複合材料，受到科學和工程領域研究者的廣泛關注；當複合材料中的增強顆粒尺寸由微米級減小到納米級時，單位體積內納米顆粒的比表面積是微米顆粒的比表面積的數百倍之多，這將極大的提高複合材料內部的界面，大量的活性界面導致納米顆粒與基體產生強烈的交互作用；這種強烈的交互作用使得納米顆粒增強金屬基複合材料的比強度，比模量，耐磨損性及高溫抗蠕變性能等較常規金屬材料和傳統微米顆粒增強體金屬基複合材料有了顯著提高，從而達到減重和提高服役安全性的雙重目的，是理想的輕質結構材料，在航空、航天、電子、汽車等領域具有廣闊的應用前景。
[0003]ZrB2相對於TiC、SiC、Al2O3等常見的鋁基複合材料增強體，具有高熔點、高硬度和高模量、耐腐蝕、耐磨等優點，使ZrB2顆粒增強鋁基複合材料受到廣泛的關注；其中原位顆粒增強鋁基複合材料，由於其增強體與基體良好的界面結合和高溫穩定性而成為該領域的研究熱點；在現有的合成工藝中，混合鹽反應法原位製備鋁基複合材料可實現與現有材料成型工藝無縫對接，且工藝簡單、成本低，所製備的複合材料性能好，而最具工業化應用前景，如申請號為201110306599.8的發明專利報導了通過超聲作用，採用Al，K2ZrF6與KBF4反應成中間合金，將中間合金加入到鎂熔體中製備ZrB2鎂基複合材料的方法，此方法所製備ZrB2顆粒彌散分布，使第二相Mg17Al12連續的網狀分布相變為顆粒狀或短塊狀，從而使複合材料的力學性能大幅度提高，但這該工藝製備的中間合金中ZrB2尺寸為微米級，同時反應粉劑均為氟鹽，環境汙染嚴重、人體危害大，且KBF4的分解溫度低、易發生反應生成KF +BF 3 (氣體)，導致B元素的收得率偏低(實際中KBF4 —般要過量20wt.%)。
【發明內容】
[0004]本發明的目在於克服現有技術的不足，提供一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法；採用低成本、無汙染的Na2B4O7作為B元素供體代替KBF4,利用熔體攪拌和超聲化學混合作用控制原位合成顆粒尺寸，製備出納米級的顆粒增強鋁基複合材料。
[0005]本發明的納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料原位製備方法具有以下優點:①採用Na2B4O7作為B元素供體代替傳統的KBF4，可有效減少氟鹽的用量、降低氟鹽帶來的環境汙染。②同時Na2B4O7分解溫度高，不產生含B的揮發氣體，利於B收得率的提高，且Na2B4O7來源廣泛，成本低廉，有利於實現規模化生產。③在高能超聲的作用下，合成的ZrB2顆粒尺寸為納米級(2(Tl00nm)，顆粒分布均勻，從而利於所製備的複合材料力學性能的大幅度提聞。
[0006]本發明是通過以下技術方案來實現的: (IWfK2ZrF6和Na2B4O7.1OH2O在乾燥箱中烘乾去除結晶水，然後研磨並按比例稱量待用。
[0007](2)將作為基體金屬的純鋁或鋁合金進行熔煉。
[0008](3)將無水Na2B4O7加入到鋁熔體中反應並用石墨攪拌器攪拌，保溫，扒渣獲得Al-B中間熔體。
[0009](4)將無水K2ZrF6加入步驟(3)所獲得的熔體中反應，並施加攪拌和超聲促進熔體的混合，增強顆粒的生成和均勻分散，反應結束後對複合熔體進行靜置保溫、精煉、除渣、澆鑄獲得納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料。
[0010]步驟(I)所述的K2ZrF6和Na2B4O7.1OH2O烘乾溫度為300°C，時間為2?3h，烘乾後按照摩爾比例2:1稱取K2ZrF6和Na2B4O75K2ZrF6和Na2B4O7的加入量為純鋁或鋁合金質量的10?20%。
[0011]步驟(2)中所述的熔煉溫度為950±5°C，保溫時間為l(T20min。
[0012]步驟(3)中使用石墨鐘罩將Na2B4O7壓入上述熔體，使Na2B4O7與熔體充分接觸反應，反應時間為5?10min，攪拌採用帶有石墨攪拌頭的攪拌器攪拌鋁熔體，攪拌速度為20(Tl000r/min，攪拌時間為2?5 min，保溫溫度為85(T900°C，保溫時間為3?5min。
[0013]其中Na2B4O7與Al熔體的反應式為:
Na2B4O7 +6Al=Na20+2Al203+2AlB2 ；
其中Al2O3在鋁熔體與Na2B4O7熔體界面生成，且與鋁的潤溼性差，在除渣過程中和Na2O 一起被除去，並獲得Al-B中間熔體。
[0014]步驟(4)中K2ZrF6加入Al-B熔體的反應時間為5?lOmin，所述的攪拌採用帶有石墨攪拌頭的攪拌器攪拌招熔體，其攪拌速度為200?1000r/min,攪拌時間為2?5min ;所述的超聲為高能超聲，功率大小為800W?1200W，超聲時間為5?lOmin，靜置保溫溫度為85(T900°C，時間為6?12min，澆注溫度為720±10°C。
[0015]其中K2ZrF6與A1-B熔體反應式為:
3K2ZrF6+13Al=3Al3Zr+4AlF3+6KF ；
AlB2+Al3Zr=ZrB2+4Al。
[0016]在機械攪拌和高能超聲的共同作用下獲得納米級ZrB2顆粒增強鋁基複合材料。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1所示為製備的複合材料的XRD圖。
[0018]圖2所示為所製備出的複合材料的SEM圖。
[0019]圖3所示為所製備材料中增強體顆粒的EDS圖。
【具體實施方式】
[0020]下面對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0021]實例1:
將一定的K2ZrF6和Na2B4O7.1OH2O在乾燥箱300°C中烘乾2h，研磨；烘乾後的K2ZrF6和Na2B4O7按摩爾比2:1比例稱取，其總質量佔純鋁質量分數10% ;將純鋁在電阻爐中加熱至9500C，然後保溫15min，先用石墨鐘罩將Na2B4O7粉劑壓入到純鋁熔體中使鋁液與粉末充分接觸反應5min,使用石墨攪拌器攪拌3min,攪拌速度為400r/min,於870°C保溫4min後，隨後用石墨鐘罩將K2ZrF6粉劑壓入到上述熔體中後，用攪拌器攪拌鋁熔體，其攪拌速度為500r/min，攪拌時間為2min，之後將高能超聲探頭伸入熔體2cm下，超聲功率調至1000W，對熔體進行超聲振動5min，於850°C後靜置保溫6min後，加精煉劑精煉，然後扒渣，隨後於720°C澆注在銅模中，冷卻後獲得複合材料(增強體體積分數為1.5%)。
[0022]實例2:
將一定的1^衝6和Na2B4O7.1OH2O在乾燥箱300°C中烘乾2h，研磨，烘乾後的K2ZrF6和Na2B4O7按摩爾比2:1比例稱取，其總質量為鋁基體質量分數的20% ;將6063A1在電阻爐中加熱至950°C，然後保溫lOmin。用石墨鐘罩將Na2B4O7粉劑壓入鋁液，使鋁液與粉末充分接觸反應5min,隨後使用石墨攪拌器對熔體進行攪拌,攪拌時間為2min,攪拌速度為800r/min，於880°C保溫5min後扒渣。用石墨鐘罩將K2ZrF6粉末壓入到上述熔體反應後，用石墨攪拌器攪拌招熔體，其攪拌速度為600r/min,攪拌時間為3min,之後將高能超聲探頭伸入熔體2cm下，超聲功率調至800W，對熔體進行超聲振動8min，於860°C靜置保溫8min，加精煉劑精煉，然後扒渣，於720°C澆注到銅模中。從而製備出納米3vol.0ZoZrB2/ 6063A1複合材料。
[0023]圖1所示為製備的複合材料的XRD圖，可以發現已經生成了 ZrB2顆粒。
[0024]圖2所示為所製備出的複合材料的SEM圖，從圖中可以看出顆粒尺寸在10nm以下(平均尺寸為45nm)，且分布均勻。
[0025]圖3所示為所製備材料中增強體顆粒的EDS圖，顯示由Zr、B兩種元素構成，即與圖1的XRD分析對應，進一步證明所製備複合材料中生成的增強體顆粒為ZrB2。
【權利要求】
1.一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法，其特徵在於:採用低成本、無汙染的Na2B4O7作為B元素供體代替KBF4,利用熔體攪拌和超聲化學混合作用控制原位合成顆粒尺寸，製備出納米級的ZrB2顆粒增強鋁基複合材料。
2.如權利要求1所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法，其特徵在於:所述ZrB2顆粒尺寸在10nm以下,平均尺寸為45nm,且分布均勻。
3.如權利要求1所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法，其特徵在於具體步驟如下: (IWfK2ZrF6和Na2B407.10H20在乾燥箱中烘乾去除結晶水，然後研磨並按比例稱量待用； (2)將作為基體金屬的純鋁或鋁合金進行熔煉； (3)將無水Na2B4O7加入到鋁熔體中反應並用石墨攪拌器攪拌，保溫，扒渣獲得Al-B中間熔體； (4)將無水K2ZrF6加入步驟(3)所獲得的熔體中反應，並施加攪拌和超聲促進熔體的混合，增強顆粒的生成和均勻分散，反應結束後對複合熔體進行靜置保溫、精煉、除渣、澆鑄獲得納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料。
4.如權利要求3所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法，其特徵在於:步驟(I)所述的K2ZrF6和Na2B407.10H20烘乾溫度為300°C，時間為2?3h，烘乾後按照摩爾比例2:1稱取K2ZrF6和Na2B4O75K2ZrF6和Na2B4O7的加入量為純鋁或鋁合金質量的1(Γ20%。
5.如權利要求3所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法，其特徵在於:步驟(2)中所述的熔煉溫度為950±5°C，保溫時間為l(T20min。
6.如權利要求3所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法，其特徵在於:步驟(3)中使用石墨鐘罩將Na2B4O7壓入上述熔體，使Na2B4O7與熔體充分接觸反應，反應時間為5?10min，攪拌採用帶有石墨攪拌頭的攪拌器攪拌鋁熔體，攪拌速度為20(Tl000r/min，攪拌時間為2?5 min，保溫溫度為85(T900°C，保溫時間為3?5min。
7.如權利要求3所述的一種納米ZrB2顆粒增強鋁基複合材料的原位製備方法，其特徵在於:步驟(4)中K2ZrF6加入Al-B熔體的反應時間為5?lOmin，所述的攪拌採用帶有石墨攪拌頭的攪拌器攪拌招熔體，其攪拌速度為200?1000r/min,攪拌時間為2?5min ;所述的超聲為高能超聲，功率大小為800W?1200W，超聲時間為5?lOmin，靜置保溫溫度為85(T900°C，時間為6?12min，澆注溫度為720±10°C。
【文檔編號】C22C32/00GK104451236SQ201410621819
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月7日 優先權日:2014年11月7日
【發明者】趙玉濤, 茅澤民, 怯喜周, 孫霞飛 申請人:江蘇大學