一種用於金屬基複合材料中的晶須預製塊的製作方法
2023-10-10 07:23:09 1
專利名稱：一種用於金屬基複合材料中的晶須預製塊的製作方法
技術領域：
本發明公開一種用於金屬基複合材料中的晶須預製塊的製作方法。
金屬基複合材料具有優異的性能(如高的比強度、比剛度、優良的耐熱性和耐磨性、低的熱膨脹係數等)，在汽車、航空航天、體育器材等廣泛領域中有著巨大的應用價值。金屬基複合材料比較常用的製備方法之一為擠壓鑄造法，擠壓鑄造法具有工藝簡單易行、所製得的複合材料具有氣孔率小等優點。擠壓鑄造法製取複合材料的工藝特徵是先將晶須製成一定體積分數的預製塊，然後在一定壓力下將液態金屬滲入預製塊。由此可見，獲得晶須分布均勻且強度足夠高(以保證在擠壓鑄造中預製塊不變形或者開裂)的預製塊是製取性能優異的複合材料的前提。
傳統的預製塊製作方法為晶須浸泡、過濾、模壓成型、烘乾處理。利用上述方法對目前市場上出售的碳化矽晶須進行預製塊的製作，不經超聲波分散，則晶須之間的纏結無法打開。所製得的預製塊強度較低。晶須分布極不均勻。當對晶須進行超聲分散，但不加深膠時，所製得的預製塊強度很低。在擠壓鑄造過程中，預製塊變形嚴重甚至襲成若干碎塊，難以製備滿意的複合材料。由此可見，傳統的預製塊製作方法不能製備出組織和性能均佳的複合材料。
本發明的目的是提供一種用於金屬基複合材料中的晶須中的晶須預製塊的製作方法，以本方法製作的晶須預製塊具有晶須分布均勻、晶須的長徑比損失小、預製塊強度高等優點。
本發明是這樣實現的(1)將晶須水浸並超聲振蕩，其目的是分散晶須之間的纏結團，以保證晶須均勻分布；(2)向晶須中添加適量的溶膠，再進行超聲波振蕩，其目的是使溶膠均勻分布；(3)利用模壓成型製成預製塊的半成品；(4)對晶須預製塊的半成品進行烘乾處理和高溫處理。
下面對本發明進行詳細闡述。
本發明所涉及的晶須可以是碳化矽晶須、硼酸鋁晶須、氧化鋁晶須、氮化矽晶須等。預製塊的晶須體積分數為10-50%。
一般來說，由於各種晶須大多分散不好，有的甚至結成團狀。晶須的分散是保證其分布均勻，進而保證所製得的複合材料性能優異的關鍵。利用球磨分散或利用篩網強制性過濾分散時，晶須長徑比損失很大，不利於有效地發揮晶須的增強作用。超聲振蕩分散晶須是本發明的重要創新之一，所用的超聲發生器可以是一般的超聲清洗器。每百克晶須所需的超聲波輸出功率為150-250W，頻率為30-50KHz。超聲波分散晶須的原理是利用超聲波較好的穿透能力，以其所攜帶的能量將晶須之間的纏結團打開。超聲振蕩之前，首先用蒸餾水對晶須進行浸泡並攪拌，其目的是打開較大的晶須纏結團。進行超聲波分散時，超聲波的輸出功率要足夠大，每百克晶須所需超聲波的功率為150-250W，振蕩時間為4-6小時。
超聲振蕩後，將晶須上部的水倒掉。然後向晶須中添加溶膠，溶膠的成分為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=(80-120)ml(3-6)g(3-6)ml(3-6)ml。溶膠的配製方法是先將聚乙烯醇加入到丙三醇中，在60℃下令聚乙烯醇溶解。而後將水和矽溶膠按上述比例混合。加膠量為每克晶須加溶膠1-5ml。
加入溶膠後，再對晶須進行超聲波振蕩。超聲波的輸出功率為150-250W，超聲波振蕩時間為4-6小時。該步驟的目的是使溶膠均勻分布。
將經過上述處理的晶須與溶膠的混合物在底部有濾網的模具中過濾，而後加壓製成一定體積分數的晶須預製塊的半成品。所加壓力依據晶須的體積分數來選擇。為了使壓力在預製塊中傳遞均勻，應使壓力保持5-25分鐘。
將上述晶須預製塊的半成品烘乾。烘乾的目的是使預製塊中的水分蒸發，而將乾燥的膠留在預製塊中作為晶須之間的粘結物。烘乾時溫度不能過高，原因是，當溫度過高時，一方面是由於水的劇烈汽化，水蒸汽中含有較多的溶膠，從而降低了預製塊中膠的含量；另一方面，水的劇烈汽化還可能將預製塊脹裂，難以保證預製塊的質量。合適的烘乾工藝為溫度保持在80℃，烘乾時間為6-8小時。
最後，將預製塊在700-900℃的溫度下進行燒成處理，時間為50-70分鐘。冷卻時，冷速不能過快，因為冷速過快時，可由於預製塊的快速受縮而使預製塊破裂。對於箱式電阻爐而言，隨爐冷卻即可。
採用本發明所說的方法可以製造出晶須分布均勻、晶須長徑比損失小，具有特定形狀，特定強度，在壓鑄時不變形的預製塊。
通過下面的實施例可進一步證明本發明有效性。
實施例1用本發明的方法製作碳化矽晶須預製塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)，然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為150W，振蕩時間為8小時。加膠量為每克晶須1ml，膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=80ml3g3ml3ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾6小時，最後在700℃下高溫處理50分鐘，所製得的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為50%。
實施例2用本發明的方法製作碳化矽晶須預製塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)，然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為250W，振蕩時間為8小時。加膠量為每克晶須5ml，膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=120ml:6g:6ml:6ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾6小時，最後在900℃下高溫處理70分鐘，所製得的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為10%。
實施例3用本發明的方法製作碳化矽晶須預製塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)，然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為250W，振蕩時間為6小時。加膠量為每克晶須3ml，膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=80ml:3g:3ml:3ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾8小時，最後在800℃下高溫處理60分鐘，所製得的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為30%。
實施例4用本發明的方法製作碳化矽晶須預製塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)，然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為250W，振蕩時間為8小時。加膠量為每克晶須2ml。膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=100ml:5g:5ml:5ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾6小時，最後在800℃下高溫處理60分鐘，所製得的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為20%，且複合材料的性能達到了最佳。
實施例5用本發明的方法製作硼酸鋁晶須預製塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)，然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為150W，振蕩時間為8小時。加膠量為每克晶須2ml。膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=100ml:5g:5ml:5ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾6小時，最後在800℃下高溫處理50分鐘，所製得的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為30%。
實施例6用本發明的方法製作硼酸鋁晶須制塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)，然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為250W，振蕩時間為8小時，加膠量為每克晶須1ml。膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=80ml:3g:3ml:3ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾6小時，最後在900℃下高溫處理50分鐘，所製得的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為30%。
實施例7用本發明的方法製作氧化鋁晶須預製塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)，然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為250W，振蕩時間為8小時。加膠量為每克晶須3ml。膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=80ml:3g:3ml:3ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾5小時，最後在800℃下高溫處理60分鐘，所制的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為30%。
實施例8用本發明的方法製作碳化矽晶須預製塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為250W，振蕩時間為8小時。加膠量為每克晶須3ml。膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=80ml:3g:3ml:3ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾6小時，最後在800℃下高溫處理50分鐘，所製得的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為20%。
實施例9用本發明的方法製作氮化矽晶須預製塊。首先用蒸餾水浸泡晶須(100克)，然後進行超聲波振蕩分散，其方法是將水與晶須的混合物盛於燒杯中放入超聲清洗槽後，打開超聲波發生器，超聲波輸出功率為250W，振蕩時間為8小時。加膠量為每克晶須3ml，膠的組成為水聚乙烯醇丙三醇矽溶膠=80ml:3g:3ml:3ml。加膠後再進行超聲波振蕩(條件同前)。過濾後利用模具成型，80℃下烘乾6小時，最後在800℃高溫處理50分鐘，所製得的晶須預製塊滿足擠壓鑄造的要求，晶須體積分數為20%。
權利要求
1.一種用於金屬基複合材料中的晶須預製塊的製作方法，其特徵在於該方法按以下步驟實現(1)首先用蒸餾水浸泡晶須攪拌。然後利用超聲波振蕩4-6小時，每百克晶須所要求的超聲波輸出功率為150W-250W。沉澱後將晶須上部的水倒掉。(2)向晶須中加入水溶膠。該溶膠的組成為聚乙烯醇∶丙三醇∶矽溶膠=(80-120)ml∶(3-6)g∶(3-6)ml∶(3-6)ml。加膠量為每百克晶須加溶膠0.5-5ml。(3)添加溶膠後，再進行超聲波振蕩，超聲波的輸出功率為150W-250W，振蕩時間為4-6小時。(4)將含有溶膠的晶須倒入在底部有濾網的模具中進行過濾。(5)根據預製塊的體積分數要求，通過施加一定的壓力製成預製塊的半成品。(6)將晶須預製塊的半成品烘乾，烘乾時的溫度為80℃。烘乾時間為6-8小時。(7)在700-900℃下將晶須預製塊進行高溫處理50-70分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種用於金屬基複合材料中的預製塊的製作方法，通過水浸及超聲波振蕩以分散晶須之間的纏結團，從而保證晶須在預製塊中及在隨後用壓鑄法製備的複合材料中均勻分布。通過向晶須中加入適量的水溶性有機溶膠來保證預製塊的高強度。在一定的壓力下製成一定晶須體積分數的預製塊後，對預製塊進行烘乾高溫處理。
文檔編號B22D19/14GK1100353SQ93117478
公開日1995年3月22日 申請日期1993年9月16日 優先權日1993年9月16日
發明者費維棟, 耿林, 胡津, 李超, 姚忠凱 申請人:哈爾濱工業大學