專利名稱：：提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及提高純鋁基復合材料強度和塑性的方法。
背景技術：
：與鋁相比，晶須(碳化硅晶須、硼酸鋁晶須等)增強鋁基復合材料具有高的比強度、比剛度、耐磨損性、低的熱膨脹系數(shù)，在航空、航天、電子和機械等行業(yè)具有應用潛力。然而在鋁中加入晶須后，鋁的塑性和韌性降低，容易導致脆性斷裂。以硼酸鋁晶須增強純鋁基復合材料為例進行說明，由于相互搭接的硼酸鋁晶須割裂了連續(xù)的基體鋁合金，且晶須與基體之間的界面結合強度低，受力作用下裂紋首先在晶須搭接和晶須/基體界面處萌生，隨后迅速擴展，造成材料低的延伸率；純鋁的延伸率為52%，為韌性斷裂，而晶須體積分數(shù)為20%的硼酸鋁晶須增強純鋁基復合材料的延伸率僅不到0.5%，為脆性斷裂，這種延伸率的大幅降低成為晶須增強鋁合金復合材料在航空、航天等領域應用的主要障礙之一。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決晶須增強純鋁基復合材料的延伸率低的問題；提供了提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法。本發(fā)明提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法是通過下述步驟進行的一、根據(jù)預制塊中晶須和碳納米管的體積分數(shù)及預制塊的高度，按照111=0.25X10—2XJiXD2XHXVfXp分別稱取直徑為0.11ym的硼酸鋁晶須和直徑為1030nm的碳納米管，其中，m是需要稱取的晶須或碳納米管的質(zhì)量，m的單位g，D是預制塊的直徑，D的單位cm，H是預制塊的高度，H的單位cm，Vf是預制塊中晶須或碳納米管的體積百分數(shù)，P是晶須或碳納米管的密度，P的單位g/cm3，晶須為碳化硅晶須或硼酸鋁晶須；二、將步驟一稱取的碳納米管純化，再用蒸餾水稀釋2040倍后用微孔濾膜進行負壓過濾，過濾過程中不斷添加蒸餾水直到過濾出溶液的pH值為6.57.5;三、再用蒸餾水將微孔濾膜上的碳納米管沖洗下來，得到碳納米管懸濁液，其中碳納米管懸濁液中碳納米管質(zhì)量與蒸餾水的體積的比例為1克100毫升；四、將碳納米管懸濁液超聲分散5分鐘，然后機械攪拌10分鐘；五、重復步驟四的操作三次；六、將步驟一稱取的晶須用氫氟酸酸洗后放入經(jīng)步驟四處理的碳納米管中，再加入硅膠粘結劑得到混合料，硅膠粘結劑體積與步驟一晶須質(zhì)量比為2毫升1克，然后將混合料超聲分散0.51小時，再機械攪拌同時在80IO(TC條件下加熱至混合料體積在30(nv/3.2)40(mw/3.2，mw是預制塊中晶須質(zhì)量，mw的單位為g，得到糊狀混合物；七、將糊狀混合物倒入模具中，在室溫下保持1224小時，將壓頭放入模具中加壓至預制塊的高度，保壓1020分鐘，脫模，得到預制塊；八、將預制塊在室溫下放置2448小時，然后放入烘干箱內(nèi)烘干，再放入燒結爐內(nèi)進行真空燒結；九、將經(jīng)燒結處理的預制塊放入鋼模具中，預制塊與鋼模具之間的縫隙長度為510mm，用純鋁粉將預制塊和模具間的縫隙填平，隨后在預制塊和純鋁粉表面撒上24毫米厚的粒度200目的氧化鋁粉，再在模具外面放上環(huán)形電阻加熱爐，升溫到52057(TC后保溫至少三十分鐘；十、將純鋁加熱到82087(TC并保溫至少三十分鐘，然后澆注到經(jīng)步驟九處理的預制塊模具中，施加5MPa的壓力，保壓20秒，升壓至150MPa，保壓5分鐘，隨爐冷卻，即完成了對晶須增強純鋁基復合材料的強度和塑性提高。本發(fā)明所述方法還可用酸性磷酸鋁粘結劑代替步驟六的硅膠粘結劑。本發(fā)明方法制備出的硼酸鋁晶須與碳納米管同時增強的復合材料中Al/ABOw和Al/麗NTs界面平直，沒有發(fā)現(xiàn)界面反應產(chǎn)物，制備過程沒有對晶須或碳納米管產(chǎn)生明顯的損傷。本發(fā)明制備的復合材料(ABOw+麗NTs/Al)的延伸率達到3.69%以上，延伸率比硼酸鋁晶須增強的純鋁復合材料有明顯提高，而且彈性模量、屈服強度和抗拉強度得到進一步的提高。圖1是具體實施方式十四制備的硼酸鋁晶須(AB0w)與碳納米管(麗NTs)同時增強純鋁(Al)復合材料(ABOw+麗NTs/Al)中Al/AB0w界面的透射電鏡照片；圖2是具體實施方式十四制備的硼酸鋁晶須(AB0w)與碳納米管(麗NTs)同時增強純鋁(Al)復合材料(ABOw+麗NTs/Al)中Al/麗NTs界面的透射電鏡照片；圖3是純鋁(pureAl)、硼酸鋁晶須增強純鋁復合材料(AB0w/Al)和晶須與碳納米管同時增強純鋁復合材料(ABOw+麗NTs/Al)的拉伸曲線圖。具體實施例方式本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。具體實施方式一本實施方式提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法是通過下述步驟進行的一、根據(jù)預制塊中晶須和碳納米管的體積分數(shù)及預制塊的高度，按照m=0.25X10—2XJiXD2XHXVfXp分別稱取直徑為0.11ym的硼酸鋁晶須和直徑為1030nm的碳納米管，其中，m是需要稱取的晶須或碳納米管的質(zhì)量，m的單位g，D是預制塊的直徑，D的單位cm，H是預制塊的高度，H的單位cm，Vf是預制塊中晶須或碳納米管的體積百分數(shù)，P是晶須或碳納米管的密度，P的單位g/cm3，晶須為碳化硅晶須或硼酸鋁晶須；二、將步驟一稱取的碳納米管純化，再用蒸餾水稀釋2040倍后用微孔濾膜進行負壓過濾，過濾過程中不斷添加蒸餾水直到過濾出溶液的pH值為6.57.5;三、再用蒸餾水將微孔濾膜上的碳納米管沖洗下來，得到碳納米管懸濁液，其中碳納米管懸濁液中碳納米管質(zhì)量與蒸餾水的體積的比例為1克100毫升；四、將碳納米管懸濁液超聲分散5分鐘，然后機械攪拌10分鐘；五、重復步驟四的操作三次；六、將步驟一稱取的晶須用氫氟酸酸洗后放入經(jīng)步驟四處理的碳納米管中，再加入硅膠粘結劑得到混合料，硅膠粘結劑體積與步驟一晶須質(zhì)量比為2毫升1克，然后將混合料超聲分散0.51小時，再機械攪拌同時在80IO(TC條件下加熱至混合料體積在30(mw/3.2)40(mw/3.2)，nv是預制塊中晶須質(zhì)量，mw的單位為g，得到糊狀混合物；七、將糊狀混合物倒入模具中，在室溫下保持1224小時，將壓頭放入模具中加壓至預制塊的高度，保壓1020分鐘，脫模，得到預制塊；八、將預制塊在室溫下放置2448小時，然后放入烘干箱內(nèi)烘干，再放入燒結爐內(nèi)進行真空燒結；九、將經(jīng)燒結處理的預制塊放入鋼模具中，預制塊與鋼模具之間的縫隙長度為510mm，用純鋁粉將預制塊和模具間的縫隙填平，隨后在預制塊和純鋁粉表面撒上24毫米厚的粒度200目的氧化鋁粉，再在模具外面放上環(huán)形電阻加熱爐，升溫到52057(TC后保溫至少三十分鐘；十、將純鋁加熱到82087(TC并保溫至少三十分鐘，然后澆注到經(jīng)步驟九處理的預制塊模具中，施加5MPa的壓力，保壓20秒升壓至150MPa，保壓5分鐘，隨爐冷卻，即完成了對晶須增強純鋁基復合材料的強度和塑性提高。具體實施方式二本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟一中所述的碳納米管在預制塊中體積分數(shù)為0.20.6%，晶須在預制塊中體積分數(shù)為1825%。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一相同。具體實施方式三本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟一中所述的碳納米管在預制塊中體積分數(shù)為0.30.%，晶須在預制塊中體積分數(shù)為2023%。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一相同。具體實施方式四本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟一中所述的碳納米管體積含量在0.4%，晶須體積含量在21%。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一相同。具體實施方式五本實施方式與具體實施方式一至四不同的是步驟一所述的碳納米管表面鍍覆有金屬鎳，碳納米管表面的鎳層為連續(xù)或不連續(xù)的兩種。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至四相同。具體實施方式六本實施方式與具體實施方式一至五不同的是所述的碳納米管為單壁碳納米管。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至五相同。具體實施方式七本實施方式與具體實施方式一至六不同的是步驟二中所述的碳納米管純化是將碳納米管放入濃麗03中，在12(TC條件下加熱回流10小時。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至六相同。本實施方式中每50毫升濃硝酸中加入1克碳納米管，濃硝酸的質(zhì)量濃度為67%。具體實施方式八本實施方式與具體實施方式一至六不同的是步驟二中所述的碳納米管純化是將碳納米管放入由濃硫酸和濃硝酸按3:l體積比組成的混合酸中，在室溫下攪拌2448小時。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至六相同。具體實施方式九本實施方式與具體實施方式一至八不同的是步驟六中用氫氟酸酸洗晶須是按150g晶須、75毫升氫氟酸和200毫升蒸餾水的配比將晶須加入氫氟酸和蒸餾水中，攪拌0.53h后放置24h。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至八相同。具體實施方式十本實施方式與具體實施方式一至九不同的是步驟六中所述的硅膠粘結劑由聚乙烯醇、硅溶膠、丙三醇和水按i:i:i:15的質(zhì)量比制成的；所述硅膠粘結劑制備方法如下將蒸餾水加熱至809(TC，加入聚乙烯醇，不斷攪拌使其完全溶解，隨后加入丙三醇，攪拌均勻，最后加入硅溶膠，攪拌均勻后冷卻即可。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至九相同。具體實施方式i^一本實施方式與具體實施方式一至十不同的是步驟八中所述預制塊烘干是按下述步驟進行的先在3(TC條件下保溫2h，升溫至45t:保溫2h，再升溫至6(TC保溫2h，然后升溫75t:保溫2h，在升溫105t:保溫2h。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至十相同。通過本實施方式烘干方法得到的預制塊結構完整，沒有表面裂紋。具體實施方式十二本實施方式與具體實施方式一至i^一不同的是步驟八中預制塊真空燒結是在1X10—25X10—2Pa的真空度條件下，以10°C/min升溫到20(TC保溫10分鐘，再以10°C/min升溫到40(TC保溫lh，然后以10°C/min升溫到60(TC保溫IO分鐘，再以10°C/min升溫到80(TC保溫3h，以10°C/min降溫到室溫后取出。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至i^一相同。具體實施方式十三本實施方式與具體實施方式一至十二不同的是采用酸性磷酸鋁粘結劑代替步驟六的硅膠粘結劑。其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一至十二相同。具體實施方式十四本實施方式提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法是通過下述步驟進行的一、根據(jù)預制塊中硼酸鋁晶須的體積分數(shù)為30.1%和碳納米管的體積分數(shù)為0.4%及預制塊的高度為60mm，按照m=0.25X10—2XjiXD2XHXVfXp分別稱取直徑為0.11i！m的硼酸鋁晶須和直徑為1030nm的碳納米管；二、將步驟一稱取的碳納米管放入濃麗03中，在12(TC條件下加熱回流10小時，每50毫升濃硝酸中加入1克碳納米管，所述濃硝酸的質(zhì)量濃度為67%，再用蒸餾水稀釋30倍后用孔徑為0.45微米的微孔濾膜進行負壓過濾，過濾過程中不斷添加蒸餾水直到過濾出溶液的pH值為6.57.5;三、再用蒸餾水將微孔濾膜上的碳納米管沖洗下來，得到碳納米管懸濁液，其中碳納米管懸濁液中碳納米管質(zhì)量與蒸餾水的體積的比例為1克100毫升；四、將碳納米管懸濁液超聲分散5分鐘，然后機械攪拌10分鐘；五、重復步驟四的操作三次；六、將步驟一稱取的晶須用氫氟酸酸洗后放入經(jīng)步驟四處理的碳納米管中，再加入硅膠粘結劑得到混合料，所述硅膠粘結劑采用具體實施方式十中的硅膠粘結劑，硅膠粘結劑體積與步驟一晶須質(zhì)量比為2毫升1克，然后將混合料超聲分散0.51小時，再機械攪拌同時在80IO(TC條件下加熱至混合料體積在30(mw/3.2)40(mw/3.2，nv是預制塊中晶須質(zhì)量，mw的單位為g，得到糊狀混合物；七、將糊狀混合物倒入模具中，在室溫下保持1224小時，將壓頭放入模具中加壓至預制塊的高度，保壓1020分鐘，脫模，得到預制塊；八、將預制塊在室溫下放置2448小時，然后放入烘干箱內(nèi)烘干，所述烘干是按下述步驟進行的先在3(TC條件下保溫2h，升溫至45。C保溫2h，再升溫至6(TC保溫2h，然后升溫75。C保溫2h，在升溫105。C保溫2h，再放入燒結爐內(nèi)進行真空燒結，真空燒結是在1X10—2的真空度條件下，以l(TC/min升溫到20(TC保溫10分鐘，再以10°C/min升溫到40(TC保溫lh，然后以10°C/min升溫到60(TC保溫10分鐘，再以10°C/min升溫到80(TC保溫3h，以10°C/min降溫到室溫后取出；九、將經(jīng)燒結處理的預制塊放入鋼模具中，預制塊與鋼模具之間的縫隙長度為5mm，用純鋁粉將預制塊和模具間的縫隙填平，隨后在預制塊和純鋁粉表面撒上24毫米厚的粒度200目的氧化鋁粉，再在模具外面放上環(huán)形電阻加熱爐，升溫到52057(TC后保溫至少三十分鐘；十、將純鋁加熱到82087(TC并保溫至少三十分鐘，然后澆注到經(jīng)步驟九處理的預制塊模具中，施加5MPa的壓力，保壓20秒，升壓至150MPa，保壓5分鐘，隨爐冷卻，即完成了對晶須增強純鋁基復合材料的強度和塑性提高。表1純鋁(pureAl)、硼酸鋁晶須增強純鋁復合材料(ABOw/Al)和晶須與碳納米管同時增強純鋁(Al)復合材料(ABOw+麗NTs/Al)拉伸力學性能指標<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由圖1可以看出，制備出的硼酸鋁晶須與碳納米管同時增強的復合材料中A1/ABOw和Al/麗NTs界面平直，沒有發(fā)現(xiàn)界面反應產(chǎn)物，制備過程沒有對晶須或碳納米管產(chǎn)生明顯的損傷。由圖2可以看出，與純鋁相比，硼酸鋁晶須增強純鋁復合材料(ABOw/Al)和晶須與碳納米管同時增強純鋁復合材料(ABOw+麗NTs/Al)的抗拉強度都有明顯提高，但延伸率都有明顯降低。具體力學性能指標如表1所示，可以看出硼酸鋁晶須增強純鋁復合材料彈性模量、屈服強度、抗拉強度與純鋁相比都有明顯提高，但延伸率從純鋁的52.90%降低到O.48%;然而含有碳納米管的復合材料(ABOw+麗NTs/Al)延伸率達到3.69%，延伸率比不加碳納米管的復合材料有明顯提高，同時復合材料的彈性模量、屈服強度和抗拉強度得到進一步的提高。權利要求提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法是通過下述步驟進行的一、根據(jù)預制塊中晶須和碳納米管的體積分數(shù)及預制塊的高度，按照m＝0.25×10-2×π×D2×H×Vf×ρ分別稱取直徑為0.1～1μm的硼酸鋁晶須和直徑為10～30nm的碳納米管，其中，m是需要稱取的晶須或碳納米管的質(zhì)量，m的單位g，D是預制塊的直徑，D的單位cm，H是預制塊的高度，H的單位cm，Vf是預制塊中晶須或碳納米管的體積百分數(shù)，ρ是晶須或碳納米管的密度，ρ的單位g/cm3，晶須為碳化硅晶須或硼酸鋁晶須；二、將步驟一稱取的碳納米管純化，再用蒸餾水稀釋20～40倍后用微孔濾膜進行負壓過濾，過濾過程中不斷添加蒸餾水直到過濾出溶液的pH值為6.5～7.5；三、再用蒸餾水將微孔濾膜上的碳納米管沖洗下來，得到碳納米管懸濁液，其中碳納米管懸濁液中碳納米管質(zhì)量與蒸餾水的體積的比例為1克∶100毫升；四、將碳納米管懸濁液超聲分散5分鐘，然后機械攪拌10分鐘；五、重復步驟四的操作三次；六、將步驟一稱取的晶須用氫氟酸酸洗后放入經(jīng)步驟四處理的碳納米管中，再加入硅膠粘結劑得到混合料，硅膠粘結劑體積與步驟一晶須質(zhì)量比為2毫升∶1克，然后將混合料超聲分散0.5～1小時，再機械攪拌同時在80～100℃條件下加熱至混合料體積在30(mW/3.2)～40(mW/3.2)，mW是預制塊中晶須質(zhì)量，mW的單位為g，得到糊狀混合物；七、將糊狀混合物倒入模具中，在室溫下保持12～24小時，將壓頭放入模具中加壓至預制塊的高度，保壓10～20分鐘，脫模，得到預制塊；八、將預制塊在室溫下放置24～48小時，然后放入烘干箱內(nèi)烘干，再放入燒結爐內(nèi)進行真空燒結；九、將經(jīng)燒結處理的預制塊放入鋼模具中，預制塊與鋼模具之間的縫隙長度為5～10mm，用純鋁粉將預制塊和模具間的縫隙填平，隨后在預制塊和純鋁粉表面撒上2～4毫米厚的粒度200目的氧化鋁粉，再在模具外面放上環(huán)形電阻加熱爐，升溫到520～570℃后保溫至少三十分鐘；十、將純鋁加熱到820～870℃并保溫至少三十分鐘，然后澆注到經(jīng)步驟九處理的預制塊模具中，施加5MPa的壓力，保壓20秒，升壓至150MPa，保壓5分鐘，隨爐冷卻，即完成了對晶須增強純鋁基復合材料的強度和塑性提高。2.根據(jù)權利要求1所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于步驟一中所述的碳納米管在預制塊中體積百分數(shù)為0.20.6%，晶須在預制塊中體積百分數(shù)為1825%。3.根據(jù)權利要求1或2所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于步驟一所述的碳納米管表面鍍覆有金屬鎳，碳納米管表面的鎳層為連續(xù)或不連續(xù)的兩種。4.根據(jù)權利要求3所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于步驟二中所述的碳納米管純化是將碳納米管放入濃硝酸中，在12(TC條件下加熱回流10小時；其中每50毫升濃硝酸中加入1克碳納米管，濃硝酸的質(zhì)量濃度為67%。5.根據(jù)權利要求3所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于步驟二中所述的碳納米管純化是將碳納米管放入由濃硫酸和濃硝酸按3:l體積比組成的混合酸中，在室溫下攪拌2448小時。6.根據(jù)權利要求1、2、4或5所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于步驟六中用氫氟酸酸洗晶須是按150g晶須、75毫升氫氟酸和200毫升蒸餾水的配比將晶須加入氫氟酸和蒸餾水中，攪拌機械攪拌0.53h后放置24h。7.根據(jù)權利要求6所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于步驟六中所述的硅膠粘結劑由聚乙烯醇、硅溶膠、丙三醇和水按i:i:i:15的質(zhì)量比制成的；所述硅膠粘結劑制備方法如下將蒸餾水加熱至809(TC，加入聚乙烯醇，不斷攪拌使其完全溶解，隨后加入丙三醇，攪拌均勻，最后加入硅溶膠，攪拌均勻后冷卻即可。8.根據(jù)權利要求1、2、4、5或7所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于步驟八中所述預制塊烘干是按下述步驟進行的先在3(TC條件下保溫2h，升溫至45。C保溫2h，再升溫至6(TC保溫2h，然后升溫75。C保溫2h，在升溫105。C保溫2h。9.根據(jù)權利要求8所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于步驟八中預制塊燒結是在1X10—25X10—2Pa的真空度條件下，以l(TC/min升溫到20(TC保溫10分鐘，再以10°C/min升溫到40(TC保溫lh，然后以10°C/min升溫到60(TC保溫10分鐘，再以10°C/min升溫到80(TC保溫3h，以10°C/min降溫到室溫后取出。10.根據(jù)權利要求1、2、4、5、7或9所述的提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，其特征在于采用酸性磷酸鋁粘結劑代替步驟六的硅膠粘結劑。全文摘要提高晶須增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法，它涉及提高增強純鋁基復合材料強度和塑性的方法。本發(fā)明解決了晶須增強純鋁基復合材料的延伸率低的問題。本發(fā)明方法如下稱取硼酸鋁晶須和碳納米管，碳納米管純化制成碳納米管懸濁液，然后制成預制塊，再烘干后燒結，澆純鋁二次加壓后隨爐冷卻。本發(fā)明方法制備出的硼酸鋁晶須與碳納米管同時增強的復合材料中Al/ABOw和Al/MWNTs界面平直，沒有發(fā)現(xiàn)界面反應產(chǎn)物，制備過程沒有對晶須或碳納米管產(chǎn)生明顯的損傷。本發(fā)明制備的復合材料的延伸率達到3.69％以上，延伸率比硼酸鋁晶須增強的純鋁復合材料有明顯提高，而且彈性模量、屈服強度和抗拉強度得到進一步的提高。文檔編號C22C101/04GK101724795SQ20091031160公開日2010年6月9日申請日期2009年12月16日優(yōu)先權日2009年12月16日發(fā)明者張學習,王德尊,耿林申請人:哈爾濱工業(yè)大學