CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法

摘要

CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法，它涉及一种晶须增强铝基复合材料的制备方法。它解决了目前的硼酸铝晶须增强铝基复合材料存在力学性能差、无法在高温环境中使用等缺陷。方法：一、制备CuO溶胶；二、制备CuO凝胶涂覆的硼酸铝晶须；三、制备CuO涂覆的硼酸铝晶须预制件；四、采用挤压铸造法制备CuO涂覆的硼酸铝晶须增强铝基复合材料。本发明方法可用于晶须增强铝基复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶须增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

复合材料能同时发挥基体和增强体的协同作用，又在材料的成分、组织和性能上具有很大的可设计性。因此，它具有很大的发展优势，吸引了世界各国材料研究者的极大关注。

晶须增强铝基复合材料具有成本低廉、各向同性、力学性能优良和易加工变形等一系列优点，因而作为一种新型的结构材料，具有十分广泛的应用前景。最初，多数科研工作者把研究重点放在了SiC和Si₃N₄晶须上。但是，昂贵的价格在很大程度上限制了其在铝基复合材料中的广泛应用。硼酸铝晶须不仅具有和SiC、Si₃N₄晶须接近的物理性能，而且其价格也仅为它们的1/20～1/10左右，硼酸铝晶须的问世，解决了因晶须成本高而制约晶须增强铝基复合材料应用的重大难题。在国内硼酸铝晶须可以利用盐湖资源和海水淡化副产品合成，已经开始大批量生产，成本十分低廉。

界面作为基体和增强体之间非常重要的区域，对材料的设计、制备以及宏观性能均会产生显著的影响，一直是人们关注的热点。如何改善复合材料中基体与增强体的润湿性、控制界面反应，形成最佳的界面结构是铝基复合材料生产、应用的关键技术问题。然而，在高性价比的硼酸铝晶须增强铝基复合材料中，界面润湿性差和高温下界面反应严重显著降低复合材料的力学性能，从而制约了该复合材料的发展，特别是限制了该复合材料在高温下的使用。如何有效提高界面润湿性，控制或减少高温下严重界面反应的发生已成为目前迫切需要解决的两个主要问题，对于该类复合材料面向广泛的工程化应用具有重要的理论价值和现实意义。

为了获得所需的界面，得到性能优异的复合材料，改善界面性能的途径有金属基体合金化，优化制备工艺和参数性能，增强体涂覆处理等。其中，晶须表面进行涂覆处理是改善界面最有效的方法之一。涂层既影响增强体本身性能又影响复合材料的界面结构，从而影响复合材料的各种性能。涂层既属于作用机理的研究将对复合材料设计和改善复合材料力学与物理性能产生巨大的推动作用。溶胶-凝胶法可以制备均匀的涂层，是一种很有发展前途的涂层制备方法，近年来已经被广泛应用到材料的各个领域。通过对晶须表面的涂覆处理将对改善复合材料的力学性能是一种行之有效的方法。

以上两个问题的解决，将晶须增强铝基复合材料代替铝合金用于发动机活塞等高温结构件中也必将会取得显著的经济和社会效益。

发明内容

本发明是要解决目前的硼酸铝晶须增强铝基复合材料存在力学性能差、无法在高温环境中使用等缺陷，而提供的一种CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制备方法。

CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料按以下步骤进行：

一、硝酸铜和柠檬酸按1∶1的摩尔比加入蒸馏水中，然后磁力搅拌加热回流1～2h，制得透明的CuO溶胶；

二、将硼酸铝晶须加入CuO溶胶中并用超声波分散，然后烘干，得到CuO凝胶涂覆的硼酸铝晶须；

三、将CuO凝胶涂覆的硼酸铝晶须放入400～600℃环境中焙烧1～3h，制成CuO涂覆的硼酸铝晶须，再放入水中超声波分散1～2h；

四、用模压成型的方法将步骤三已超声波分散的CuO涂覆的硼酸铝晶须制成预制件，然后室温干燥，再放入800～1000℃环境中焙烧1～3h，获得CuO涂覆硼酸铝晶须预制件；

五、挤压铸造：500℃预热CuO涂覆硼酸铝晶须预制件及模具，然后浇注熔融态的铝合金，浇注温度为800℃，再在20MPa压力下进行初步挤压，而后增大压力至100MPa并保压5min，制得CuO涂覆硼酸铝晶须增强的铝基复合材料；

其中，步骤一中加热回流温度为80～100℃，蒸馏水的质量为硝酸铬和柠檬酸总质量的50～200倍；步骤二中硼酸铝晶须的质量是CuO溶胶中CuO质量的5～40倍；步骤五中CuO涂覆硼酸铝晶须预制件占铝基复合材料总体积的15％～30％。

本发明步骤四将预制件放入800～1000℃环境中进行焙烧可以提高CuO涂覆硼酸铝晶须预制件的强度。

本发明用溶胶凝胶和超声波分散相结合的方法在硼酸铝晶须表面涂覆CuO，使得CuO涂覆的更为均匀，同时和球磨处理相比超声分散也可以减少硼酸铝晶须的折断。

本发明方法步骤五挤压铸造过程中CuO能够与基体铝合金熔液反应生成均匀的界面产物(氧化物或复合氧化物)，因此界面润湿性显著提高，复合材料铸造微孔减少，铝基复合材料的室温力学性能大幅提高。与单纯硼酸铝晶须增强铝基复合材料相比，同等情况下铝基复合材料的拉伸强度提高约1.2～1.5倍，延伸率基本不变；而且挤压铸造过程中CuO与基体铝合金熔液反应所生成的界面产物形成了均匀的过渡层界面结构，能减少或阻碍高温条件下复合材料基体中镁元素与硼酸铝晶须发生的严重界面反应，从而减少对晶须的破坏，提高了铝基复合材料的高温界面稳定性以及高温环境下的力学性能，高温热暴露本发明方法获得的CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的拉伸强度比单纯硼酸铝晶须增强铝基复合材料提高了约1.25～1.5倍，延伸率提高了约115～1.8倍。

用本发明方法制备出的CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料代替铝合金，作为发动机活塞等高温结构件使用必将会取得显著的经济和社会效益。

附图说明

图1是具体实施方式十一中硼酸铝晶须(未涂覆CuO的原料硼酸铝晶须)的扫描电镜图；图2是具体实施方式十一中步骤三制成的CuO涂覆的硼酸铝晶须的扫描电镜图；图3是具体实施方式十一中步骤三制成的CuO涂覆的硼酸铝晶须的X射线图谱，图3中“○”衍射峰为CuO。

具体实施方式

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组合。

具体实施方式一：本实施方式CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料按以下步骤进行：

一、硝酸铜和柠檬酸按1∶1的摩尔比加入蒸馏水中，然后磁力搅拌加热回流1～2h，制得透明的CuO溶胶；

二、将硼酸铝晶须加入CuO溶胶中并用超声波分散，然后烘干，得到CuO凝胶涂覆的硼酸铝晶须；

三、将CuO凝胶涂覆的硼酸铝晶须放入400～600℃环境中焙烧1～3h，制成CuO涂覆的硼酸铝晶须，再放入水中超声波分散1～2h；

四、用模压成型的方法将步骤三已超声波分散的CuO涂覆的硼酸铝晶须制成预制件，然后室温干燥，再放入800～1000℃环境中焙烧1～3h，获得CuO涂覆硼酸铝晶须预制件；

五、挤压铸造：500℃预热CuO涂覆硼酸铝晶须预制件及模具，然后浇注熔融态的铝合金，浇注温度为800℃，再在20MPa压力下进行初步挤压，而后增大压力至100MPa并保压5min，制得CuO涂覆硼酸铝晶须增强的铝基复合材料；

其中，步骤一中加热回流温度为80～100℃，蒸馏水的质量为硝酸铬和柠檬酸总质量的50～200倍；步骤二中硼酸铝晶须的质量是CuO溶胶中CuO质量的5～40倍；步骤五中CuO涂覆硼酸铝晶须预制件占铝基复合材料总体积的15％～30％。

本实施方式方法适用于各种含镁铝合金。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中超声波分散时间为1～3小时，超声波功率为1000～2000W，超声波频率为50～80Hz。其它步骤及参数与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤五中CuO涂覆硼酸铝晶须预制件占铝基复合材料总体积的17％～28％。其它步骤及参数与实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤五中CuO涂覆硼酸铝晶须预制件占铝基复合材料总体积的19％～25％。其它步骤及参数与实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤五中CuO涂覆硼酸铝晶须预制件占铝基复合材料总体积的20％。其它步骤及参数与实施方式一或二相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤二中硼酸铝晶须的质量是CuO溶胶中CuO质量的6～38倍。其它步骤及参数与实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤二中硼酸铝晶须的质量是CuO溶胶中CuO质量的10～35倍。其它步骤及参数与实施方式一至五之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤二中硼酸铝晶须的质量是CuO溶胶中CuO质量的20～30倍。其它步骤及参数与实施方式一至五之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一的不同点是：步骤一中蒸馏水的体积为硝酸铬和柠檬酸总体积的80～150倍。其它步骤及参数与实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一的不同点是：步骤一中蒸馏水的体积为硝酸铬和柠檬酸总体积的100倍。其它步骤及参数与实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料按以下步骤进行：

一、硝酸铜和柠檬酸按1∶1的摩尔比加入蒸馏水中，然后磁力搅拌加热回流1.5h，制得透明的CuO溶胶；

二、将硼酸铝晶须加入CuO溶胶中并用超声波分散，然后烘干，得到CuO凝胶涂覆的硼酸铝晶须；

三、将CuO凝胶涂覆的硼酸铝晶须放入500℃环境中焙烧2h，制成CuO涂覆的硼酸铝晶须，再放入水中超声波分散1.5h；

四、用模压成型的方法将步骤三已超声波分散的CuO涂覆的硼酸铝晶须制成预制件，然后室温干燥，再放入900℃环境中焙烧2h，获得CuO涂覆硼酸铝晶须预制件；

五、挤压铸造：500℃预热CuO涂覆硼酸铝晶须预制件及模具，然后浇注熔融态的6061铝合金，浇注温度为800℃，再在20MPa压力下进行初步挤压，而后增大压力至100MPa并保压5min，制得CuO涂覆硼酸铝晶须增强的铝基复合材料；

其中，步骤一中加热回流温度为80℃，蒸馏水的质量为硝酸铬和柠檬酸总质量的50～200倍；步骤二中硼酸铝晶须的质量是CuO溶胶中CuO质量的5～40倍；步骤五中CuO涂覆硼酸铝晶须预制件占铝基复合材料总体积的25％。

CuO涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料与硼酸铝晶须增强铝基复合材料(除晶须表面未涂CuO之外其他均相同)的对比试验结果如表1所示。

表1

本实施方式在高温环境中的力学性能显著提高。

本实施方式所用硼酸铝晶须形貌如图1所示，本实施方式步骤三制成的CuO涂覆的硼酸铝晶须形貌如图2所示，步骤三制成的CuO涂覆的硼酸铝晶须的X射线图谱如图3所示。观察和分析图2和图3可以确定硼酸铝晶须表面的涂层分布均匀且涂层是由CuO组成。