一种氧化铝纤维增强镁基复合材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种氧化铝纤维增强镁基复合材料的制备方法，该方法按照以下步骤实施：步骤1、确定纤维预制体混合料中的各个组分含量，包括Al

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种氧化铝纤维增强镁基复合材料的制备方法。

背景技术

当今世界，资源再生利用以及环境保护已成为经济持续发展和人类赖以生存的首要问题，为了降低能耗，削减汽车尾气对空气的污染，采用轻量化材料以减轻汽车重量已成为世界各大汽车厂商极力追求的目标；同时，随着金属材料消耗量的急剧上升和科学技术的飞速发展、大规模生产工艺的出现和广泛使用，使地球上的有限资源日趋贫乏。因此，新型轻质合金材料的研制和开发日益受到各国的高度重视，作为最轻的结构材料，镁合金的研究和应用越来越受到人们的重视。

镁合金具有密度小、比强度高、比刚度高、尺寸稳定的特点，也有充型流动性能好、资源丰富等优点，被誉为21世纪最有发展前景的“绿色”工程材料，但现有工艺所制作的镁基合金，其力学性能较低、抗高温蠕变性能较差，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化铝纤维增强镁基复合材料的制备方法，能够有效地改善镁基合金的力学性能和抗蠕变性能。

本发明所采用的技术方案是，一种氧化铝纤维增强镁基复合材料的制备方法，该方法按照以下步骤具体实施：

步骤1、确定纤维预制体混合料中的各个组分含量

纤维预制体混合料中的组分包括Al₂O₃纤维、石墨粉、硅溶胶三种，各组分按以下公式计算得到各值：

纤维预制体的体积为：V=π×D²×h/4；

所需要的Al₂O₃纤维的质量为：M_f =ρ×V×V_f%；

纤维预制体的质量为：M = M_f /(1-ω_c-ω_sol)；

造孔剂的质量为：M_c = M×ω_c；

粘结剂的质量为：M_sol= M×ω_sol；

其中，D—所要制备纤维预制体的底面设定直径，单位为毫米；

h—所要制备纤维预制体的高度设定值，单位为毫米；

V_f% —所要制备纤维预制体的体积分数设定值，单位为vol.%，范围为16%-22%；

ρ—Al₂O₃纤维的紧实密度设定值；

ω_c —造孔剂质量百分数wt.%；

ω_sol—粘结剂质量百分数wt.%，

其中，造孔剂选用石墨粉，石墨粉质量百分数ω_c为15%-25%；粘结剂选用硅溶胶，其质量百分数ω_sol为5%-10%；

步骤2、制备纤维浆

将步骤1称量好的Al₂O₃纤维放入玻璃容器中，先加入酒精30ml，搅拌至纤维松散湿润再加入步骤1称量好的石墨粉，继续搅拌2分钟后再加入30ml的酒精，随后每搅拌2分钟加入10ml的酒精，总的酒精添加毫升数值不超过前述三种组分质量总克数数值的三分之二，待Al₂O₃纤维与石墨粉混合均匀并成为浆状时，最后加入步骤1称量好的硅溶胶，继续搅拌1分钟，得到纤维浆；

步骤3、模压得到纤维预制体

本步骤采用纤维预制体成型模具，包括上冲模、模具筒和下模三个部件构成，使用时，将上冲模和下模的冲头相对伸入模具筒中，并且上冲模和下模同时与模具筒保持间隙配合，上冲模和下模之间的空间用于放置步骤2得到的纤维浆，

利用前述的成型模具，先将模具筒套坐在下模上，将步骤2搅拌好的纤维浆倒入模具筒中，放好上冲模，施加压力使上冲模下降至预定的制备高度，即上冲模与下模冲头之间的距离等于纤维预制体的设定高度，挤压过程中，多余的液体从模具底部的模具筒与下模之间的缝隙流走，保持施压5-7分钟后退出上冲模与下模，得到湿态纤维预制体；

步骤4、对步骤3得到的湿态纤维预制体进行干燥和焙烧，得到纤维预备体型件；

步骤5、浸渗制备得到最终的复合材料

首先将步骤4制备得到的纤维预制体型件置于坩埚底部，将去除了氧化皮的浸渗合金置于纤维预制体型件上表面，将坩埚放入真空钼丝炉中，抽真空至4.9×10^-2Pa-5.1×10^-2Pa；

然后在氩气保护气氛下，加热真空钼丝炉至660℃±2℃保温90分钟，最后随炉冷却至430℃±2℃，取出坩埚，即得氧化铝纤维增强镁基复合材料。

本发明方法的有益效果是，利用镁合金与Al₂O₃纤维具有的良好润湿性，采用Al₂O₃纤维作为增强体制备镁基复合材料，有效地改善单纯镁合金性能方面的不足；采用无压浸渗工艺制备Al₂O₃纤维增强镁基复合材料，通过对纤维预制体组分、含量以及浸渗温度和保温时间等工艺参数的优化设置，能够获得Al₂O₃纤维分布均匀、组织致密、蠕变性能得到提高的复合材料。

附图说明

图1是本发明方法中的纤维预制体的制备原理示意图；

图2是本发明方法中制备纤维预制体的成型示意图；

图3是本发明方法实施例1制备的Al₂O_3f/Mg-9Al-0.5Nd复合材料金相组织图；

图4是采用四种不同Nd含量制备的Al₂O_3f/ Mg-9Al复合材料的应变-时间曲线。

图中，1.上冲模，2.模具筒，3.下模，4.纤维预制体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的氧化铝纤维增强镁基复合材料的制备方法，按照以下步骤具体实施：

步骤1、确定纤维预制体混合料中的各个组分含量

纤维预制体混合料中的组分包括Al₂O₃纤维、石墨粉、硅溶胶三种，Al₂O₃纤维、石墨粉、硅溶胶各自的质量百分数含量按以下公式计算得出：

纤维预制体的体积为：V=π×D²×h/4；

所需要的Al₂O₃纤维的质量为：M_f =ρ×V×V_f%；

纤维预制体的质量为：M = M_f /(1-ω_c-ω_sol)；

造孔剂的质量为：M_c = M×ω_c；

粘结剂的质量为：M_sol= M×ω_sol；

其中，D—所要制备纤维预制体的底面直径，单位为毫米，同时也是模具筒2的内径；

h—所要制备纤维预制体的高度设定值，单位为毫米；

V_f% —所要制备纤维预制体的体积分数设定值（vol.%），范围为16%-22%；

ρ—Al₂O₃纤维的紧实密度值；

ω_c —造孔剂质量百分数（wt.%）；

ω_sol—粘结剂质量百分数（wt.%），

其中，造孔剂选用石墨粉，石墨粉质量百分数ω_c为15%-25%，颗粒度≤30μm、纯度≥99.85%；粘结剂选用硅溶胶，其质量百分数ω_sol为5%-10%，并且硅溶胶中的SiO₂含量25%-30%。

步骤2、制备纤维浆

将步骤1称量好的Al₂O₃纤维放入玻璃容器中，先加入酒精30ml，作用是分散介质，搅拌至纤维松散湿润再加入步骤1称量好的石墨粉，继续搅拌2分钟后再加入30ml的酒精，随后每搅拌2分钟加入10ml的酒精，总的酒精添加毫升数值不超过前述三种组分质量总克数数值的三分之二，待Al₂O₃纤维与石墨粉混合均匀并成为浆状时，最后加入步骤1称量好的硅溶胶，继续搅拌1分钟，得到纤维浆。

步骤3、模压得到纤维预制体

本步骤需要使用一种纤维预制体成型模具，如图2，包括上冲模1、模具筒2和下模3三部分构成，使用时，将上冲模1和下模3的冲头相对伸入模具筒2的通孔中，并且上冲模1的冲头外径和下模3的冲头外径均与模具筒2的通孔内径保持间隙配合，上冲模1的冲头和下模3的冲头之间的空间用于放置步骤2得到的纤维浆，

参照图2，利用前述的成型模具，先将模具筒2套坐在下模3上，将步骤2搅拌好的纤维浆倒入模具筒2中，放好上冲模1，通过千斤顶向下施加压力使上冲模1下降至预定的制备高度，即上冲模1冲头端面与下模3冲头端面之间的距离等于纤维预制体的设定高度h，挤压过程中，多余的酒精液体从模具底部的模具筒2与下模3之间的缝隙流走，保持施压5-7分钟后退出上冲模1与下模3，得到湿态纤维预制体。

步骤4、进行干燥和焙烧

先将湿态纤维预制体在室温干燥48±1小时；再置于100℃±2℃烘干12±1小时；最后在900℃±2℃焙烧6±0.5小时，烘干及焙烧均在箱式电阻炉中进行，电炉采用KSW控温仪控温，控制精度±2℃，经上述工艺烘干后，得到纤维预备体型件。

步骤5、制备氧化铝纤维增强镁基复合材料

采用无压浸渗法完成复合材料的制备，制备过程在真空钼丝炉内进行，首先将步骤4制备得到的纤维预制体型件置于坩埚底部，将经打磨去除了氧化皮的浸渗合金置于纤维预制体型件上表面，将坩埚放入真空钼丝炉中，抽真空至4.9×10^-2Pa-5.1×10^-2Pa；然后在氩气保护气氛下，加热真空钼丝炉至660℃±2℃保温90分钟，最后随炉冷却至430℃±2℃，取出坩埚，即得氧化铝纤维增强镁基复合材料。

浸渗合金选用Mg-9Al-0.5Nd、Mg-8Al-0.5Nd或Mg-6Al-0.5Nd系列合金。

本发明方法的工作原理是，先把氧化铝纤维预制成型，然后在氩气保护下将Mg-9Al-0.5Nd、Mg-8Al-0.5Nd或Mg-6Al-0.5Nd系列合金基体熔体渗入，在毛细现象作用下使熔体浸渗到纤维预制体的间隙内而达到复合目的。利用镁合金与Al₂O₃纤维具有的良好润湿性，采用Al₂O₃纤维作为增强体制备镁基复合材料，有效地改善单纯镁合金性能方面的不足；采用无压浸渗工艺制备Al₂O₃纤维增强镁基复合材料，通过对纤维预制体组分、含量以及浸渗温度和保温时间等工艺参数的优化设置，获得Al₂O₃纤维分布均匀、组织致密、蠕变性能得到提高的复合材料。在熔体浸渗工艺中，制备多孔增强纤维预制体是复合材料成功的关键，对复合材料的浸渗过程和最终组织都有重要影响。

实施例1

步骤1、确定及称量各组分

若纤维预制体高度h=100毫米、底面直径D=48毫米，需要称量Al₂O₃纤维119.4克（质量百分比为74%），体积分数为20%，石墨粉32.3克（质量百分比为20%），硅溶胶9.7克（质量百分比为6%），总质量161.4克（质量百分比为100%）。其中，石墨粉颗粒度≤30μm、纯度≥99.85%；硅溶胶中的SiO₂含量为25%。

步骤2、制备纤维浆

将上一步称量好的119.4克Al₂O₃纤维放入玻璃容器中，先加入酒精30ml，搅拌至纤维松散湿润再加入上一步称量好的32.3克石墨粉，继续搅拌2分钟后再加入30ml的酒精，随后每搅拌2分钟加入10ml的酒精，酒精总量不超过100ml，待Al₂O₃纤维与石墨粉混合均匀并成为浆状时，最后加入步骤1称量好的硅溶胶9.7克，继续搅拌1分钟，得到纤维浆。

步骤3、模压得到纤维预制体

参照图2，先将模具筒2套坐在下模3上，将步骤2搅拌好的纤维浆倒入模具筒2中，放好上冲模1，施加压力使上冲模1下降至预定的制备高度，使得上冲模1与下模3冲头之间的距离等于纤维预制体的设定高度h，挤压过程中，多余的液体从模具底部的模具筒2与下模3之间的缝隙流走，保持施压5分钟后退出上冲模1与下模3，得到湿态纤维预制体。

步骤4、进行干燥和焙烧

先将湿态纤维预制体在室温干燥48小时；再置于100℃烘干12小时；最后在900℃焙烧6小时，烘干及焙烧均在箱式电阻炉中进行，电炉采用KSW控温仪控温，控制精度±2℃，经上述工艺烘干后，得到纤维预备体型件。

步骤5、制备Al₂O_3f/Mg-9Al-0.5Nd复合材料

采用无压浸渗法完成复合材料的制备，制备过程在真空钼丝炉内进行，首先将步骤4制备得到的纤维预制体型件置于坩埚底部，将经打磨去除了氧化皮的Mg-9Al-0.5Nd浸渗合金置于纤维预制体型件上，将坩埚放入真空钼丝炉中，抽真空至5×10^-2Pa；然后在氩气保护气氛下，加热真空钼丝炉至660℃保温90分钟，最后随炉冷却至430℃，取出坩埚，即得Al₂O_3f/Mg-9Al-0.5Nd复合材料。

实施例2

步骤1、确定及称量各组分

若纤维预制体高度h=100毫米、底面直径D=48毫米，需要称量Al₂O₃纤维124.2克（质量百分比为77%），体积分数为18%，石墨粉24.2克（质量百分比为15%），硅溶胶12.9克（质量百分比为8%），总质量161.4克（质量百分比为100%）。其中，石墨粉颗粒度≤30μm、纯度≥99.85%；硅溶胶中的SiO₂含量为25%。

步骤2、制备纤维浆

将上一步称量好的124.2克Al₂O₃纤维放入玻璃容器中，先加入酒精30ml，搅拌至纤维松散湿润再加入上一步称量好的24.2克石墨粉，继续搅拌2分钟后再加入30ml的酒精，随后每搅拌2分钟加入10ml的酒精，酒精总量不超过100ml，待Al₂O₃纤维与石墨粉混合均匀并成为浆状时，最后加入步骤1称量好的硅溶胶12.9克，继续搅拌1分钟，得到纤维浆。

步骤3、模压得到纤维预制体

参照图2，先将模具筒2套坐在下模3上，将步骤2搅拌好的纤维浆倒入模具筒2中，放好上冲模1，施加压力使上冲模1下降至预定的制备高度，使得上冲模1与下模3冲头之间的距离等于纤维预制体的设定高度，挤压过程中，多余的液体从模具底部的模具筒2与下模3之间的缝隙流走，保持施压5分钟后退出上冲模1与下模3，得到湿态纤维预制体。

步骤4、进行干燥和焙烧

先将湿态纤维预制体在室温干燥47小时；再置于99℃烘干13小时；最后在901℃焙烧6.25小时，烘干及焙烧均在箱式电阻炉中进行，得到纤维预备体型件。

步骤5、制备Al₂O_3f/Mg-8Al-0.5Nd复合材料

首先将步骤4制备得到的纤维预制体型件置于坩埚底部，将经打磨去除了氧化皮的Mg-8Al-0.5Nd浸渗合金置于纤维预制体型件上，将坩埚放入真空钼丝炉中，抽真空至4.9×10^-2Pa；然后在氩气保护气氛下，加热真空钼丝炉至658℃保温90分钟，最后随炉冷却至429℃，取出坩埚，即得Al₂O_3f/Mg-8Al-0.5Nd复合材料。

实施例3

步骤1、确定及称量各组分

若纤维预制体高度h=100毫米、底面直径D=48毫米，需要称量Al₂O₃纤维104.9克（质量百分比为65%），体积分数为21%，石墨粉40.3克（质量百分比为25%），硅溶胶16.1克（质量百分比为10%），总质量161.33克（质量百分比为100%）。

其中，石墨粉颗粒度≤30μm、纯度≥99.85%；硅溶胶中的SiO₂含量为25%。

步骤2、制备纤维浆

将上一步称量好的104.9克Al₂O₃纤维放入玻璃容器中，先加入酒精30ml，搅拌至纤维松散湿润再加入上一步称量好的40.3克石墨粉，继续搅拌2分钟后再加入30ml的酒精，随后每搅拌2分钟加入10ml的酒精，酒精总量不超过100ml，待Al₂O₃纤维与石墨粉混合均匀并成为浆状时，最后加入步骤1称量好的硅溶胶16.1克，继续搅拌1分钟，得到纤维浆。

步骤3、模压得到纤维预制体

参照图2，先将模具筒2套坐在下模3上，将步骤2搅拌好的纤维浆倒入模具筒2中，放好上冲模1，施加压力使上冲模1下降至预定的制备高度，使得上冲模1与下模3冲头之间的距离等于纤维预制体的设定高度，挤压过程中，多余的液体从模具底部的模具筒2与下模3之间的缝隙流走，保持施压5分钟后退出上冲模1与下模3，得到湿态纤维预制体。

步骤4、进行干燥和焙烧

先将湿态纤维预制体在室温干燥49小时；再置于101℃烘干11小时；最后在902℃焙烧5.75小时，烘干及焙烧均在箱式电阻炉中进行，得到纤维预备体型件。

步骤5、制备Al₂O_3f/Mg-6Al-0.5Nd复合材料

首先将步骤4制备得到的纤维预制体型件置于坩埚底部，将经打磨去除了氧化皮的Mg-6Al-0.5Nd浸渗合金置于纤维预制体型件上，将坩埚放入真空钼丝炉中，抽真空至5.1×10^-2Pa；然后在氩气保护气氛下，加热真空钼丝炉至662℃保温90分钟，最后随炉冷却至431℃，取出坩埚，即得Al₂O_3f/Mg-6Al-0.5Nd复合材料。

参照图3，为本发明方法实施例1制备的Al₂O_3f/Mg-9Al-0.5Nd复合材料的金相显微组织照片，该图中呈黑色长棒状或圆点状为Al₂O₃纤维，灰色多边形块状物为Mg₂Si相，白色组织是Mg-9Al基体合金，基体合金主要由固溶体α-Mg相和分布在晶界周围的网状共晶组织β-Mg₁₇Al₁₂ 相组成，Al₂O₃纤维比较均匀的分布在基体中。

参照图4，是四种不同Nd含量的Al₂O_3f/Mg-9Al复合材料，在温度为250℃，压缩应力为90MPa实验条件下的蠕变曲线，可以看出，随着Nd含量的增加，复合材料的抗高温压缩蠕变性能得到显著提高，当Nd含量高于0.5%后，其对蠕变应变量影响趋于稳定，说明本发明的复合材料满足了对蠕变性能提高的要求。

本发明方法能够制备高体积分数的氧化铝纤维增强镁基复合材料，成型简单，蠕变性能好。