專(zhuān)利名稱(chēng)：微納米疊層金屬基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，特別涉及的是一種微納米疊 層金屬基復(fù)合材料制備方法。
背景技術(shù)：
金屬基復(fù)合材料憑借其結(jié)構(gòu)輕量化效益和優(yōu)異的耐磨、熱 學(xué)和電學(xué)性能，逐漸在 汽車(chē)、電子、航天、航空和體育休閑用品等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用，確立了作為新材料 和新技術(shù)的地位。在傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料中，陶瓷增強(qiáng)體在金屬基體中均勻分布，隨著增 強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的提高，金屬基復(fù)合材料的塑性和韌性均迅速下降，難以滿(mǎn)足工程使用需求。 因此，近年來(lái)逐漸強(qiáng)調(diào)在中間或介觀(guān)尺度上人為調(diào)控增強(qiáng)體呈現(xiàn)有序非均勻分布，以便進(jìn) 一步發(fā)掘金屬基復(fù)合材料的性能潛力、實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的最優(yōu)化配置。受自然界竹、木、貝殼、 骨骼等生物復(fù)合材料以疊層結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)、韌最佳配合的啟發(fā)，韌脆交替的疊層金屬基復(fù)合 材料研究越來(lái)越引起關(guān)注，主要目的是通過(guò)韌性層來(lái)補(bǔ)償單層材料內(nèi)在性能的不足，以滿(mǎn) 足各種各樣的特殊應(yīng)用需求，例如耐高溫材料、硬度材料、熱障涂層材料等。研究結(jié)果表明 疊層材料的強(qiáng)度是均質(zhì)材料的2到4倍，斷裂韌性能達(dá)到均質(zhì)材料的10倍以上。疊層材料 的強(qiáng)度隨著雙層厚度(調(diào)制波長(zhǎng))的減少而增加，并且在降低到納米尺度時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值。等離子噴涂、磁控濺射、脈沖激光沉積、電子束物理氣相沉積等方法能夠制備納米 疊層的薄膜和涂層，但是很難制備塊體材料。軋制擴(kuò)散、軋膜成型、流延成型、注漿成型等方 法能夠制備塊體疊層材料，但是很難實(shí)現(xiàn)納米層厚。因此，尋求一種高效制備納米疊層塊體 材料的方法成為金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。粉末冶金是金屬基復(fù)合材料常用的制備 方法，通常都采用球形或不規(guī)則形狀的基體金屬粉末。片狀金屬粉末有著特殊的二維平面 結(jié)構(gòu)，具有良好的附著力、遮蓋力、反射能力和良好的導(dǎo)電性能，在顏料、工業(yè)涂料、油漆和 油墨等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但較少用于金屬基復(fù)合塊體材料的制備。目前普遍應(yīng)用的氧化物彌散強(qiáng)化合金，實(shí)質(zhì)上就是一種原位自生金屬基復(fù)合材 料，其制備關(guān)鍵在于通過(guò)濕法球磨得到較高比表面積的片狀金屬粉末，從而借助表面氧化 原位生成氧化物強(qiáng)化顆粒，該方法的缺點(diǎn)是原位生成的增強(qiáng)體通常含量較低，且多限于氧 化物，無(wú)法生成像碳納米管、碳納米纖維等更為理想的增強(qiáng)體。另一方面，可以預(yù)先制備好 片狀金屬粉末，然后借助球磨、碾磨等外力使之與外加的增強(qiáng)體共混。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，J. H. Lee等人在《Materials Science andEngineering》2001 $ A304-306 632白勺"Characteristics of ceramic particlereinforced Al composite powder manufactured by a stone mill type crusher using twinrol1 cast Al alloy flake :a model on the formation of composite powder”(采用磨盤(pán)研磨機(jī)碾磨雙輥鑄軋片狀鋁合金粉和陶瓷顆粒復(fù)合粉末 的特征及復(fù)合過(guò)程模型)，向雙輥鑄軋的5083或6061片狀鋁合金粉末中加入顆粒尺寸為 1-3 μ m,體積含量為10-20%的Al2O3-TiC或Al2O3-B4C陶瓷粉末，采用磨盤(pán)式研磨機(jī)的重復(fù) 碾磨形成層狀組織。但該方法不適用于像碳納米管、碳納米纖維這樣的納米增強(qiáng)體，因?yàn)榧{米增強(qiáng)體之間傾向于彼此團(tuán)聚，只有依靠長(zhǎng)時(shí)間的高能球磨或碾磨才能實(shí)現(xiàn)均勻分散，這 樣一來(lái)會(huì)嚴(yán)重地破壞片狀金屬粉末的形貌和納米增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上不可能得到納米疊 層組織。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微納米疊層的塊體金屬基復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明采用微納米片狀金屬粉末和納米增強(qiáng)體為原料，通過(guò)料漿共混使 納米增強(qiáng)體被微納米片狀金屬粉末的表面所吸附，然后利用重力或外加力場(chǎng)的定向作用， 促進(jìn)片狀金屬粉末平行排列和堆砌，從而形成微納米疊層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明先將微納米片狀金屬粉末加入到溶劑中制成片狀金屬粉末料漿，然后將片 狀金屬粉末料漿與納米增強(qiáng)體料漿共混，使片狀金屬粉末表面均勻吸附納米增強(qiáng)體并形成 復(fù)合粉末料漿，然后自然靜置使片狀金屬粉末在重力作用下與水平方向平行排列并沉降， 或者通過(guò)施加外力場(chǎng)促進(jìn)片狀金屬粉末呈平行排列和堆砌，再脫除溶劑即得到疊層復(fù)合粉 末，最后經(jīng)致密化處理得到密實(shí)的疊層金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明包括以下步驟(1)將納米增強(qiáng)體加入到溶劑中進(jìn)行攪拌或者超聲分散，制備納米增強(qiáng)體料漿；(2)將微納米片狀金屬粉末加入到溶劑中進(jìn)行攪拌或者超聲分散，制備片狀金屬 粉末料漿；(3)將納米增強(qiáng)體料漿和片狀金屬粉末料漿混合，攪拌或者超聲分散直至納米增 強(qiáng)體被微納米片狀金屬粉末的表面所吸附，形成復(fù)合粉末料漿；(4)停止攪拌，利用重力或外加力場(chǎng)的定向作用，促進(jìn)復(fù)合粉末料漿中的微納米片 狀金屬粉末平行排列和堆砌，然后脫除溶劑，再經(jīng)干燥處理即得到微納米疊層復(fù)合粉末；(5)對(duì)以上微納米疊層復(fù)合粉末進(jìn)行致密化處理，即可得到密實(shí)的塊體微納米疊
層金屬基復(fù)合材料。所述的微納米片狀金屬粉末為鋁、銅、鎂、鈦及其合金粉末中的一至多種，可采用 熔體甩帶、鑄軋、球磨等任意方法制備，但必須滿(mǎn)足徑厚比大于10，厚度介于200nm-5 μ m之 間，片徑在5-500um之間。所述的納米增強(qiáng)體至少在一個(gè)方向上的尺寸小于100納米，可選自碳納米管、碳 納米纖維、納米碳化物、納米氧化物、納米氮化物中的一至多種。所述的溶劑可選自水或甲醇、乙醇等有機(jī)溶劑，料漿中還可加入表面活性劑、消泡 劑等功能組分。在所述的納米增體料漿、微納米片狀金屬粉末料漿和復(fù)合粉末料漿中，固相所占 的體積比小于20%。所述的外加力場(chǎng)為離心力場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、電磁場(chǎng)中的一種。所述的微納米疊層復(fù)合粉末中，納米增強(qiáng)體的質(zhì)量百分比為0. 1_10%。所述的致密化處理，是先將微納米疊層復(fù)合粉末冷壓成塊體，然后再進(jìn)行熱壓、熱 等靜壓、熱擠壓、熱軋等熱變形加工。本發(fā)明采用微納米片狀金屬粉末和納米增強(qiáng)體為原料，通過(guò)料漿共混使納米增強(qiáng)體被微納米片狀金屬粉末的表面所吸附，同時(shí)利用重力和外加力場(chǎng)的“定向作用”促進(jìn)片狀 金屬粉末之間取平行排列，自發(fā)形成微納米疊層結(jié)構(gòu)。眾所周知，由于片狀金屬粉末所具有 的二維平面結(jié)構(gòu)，在液體中受重力作用傾向于沿水平面方向呈平行排列，并且片狀粉末的 徑厚比越大，料漿中液相所占體積比越大，這種“水平定向”作用就越明顯。因此，本發(fā)明要 求微納米片狀金屬粉末的徑厚比必須大于10，在片狀金屬粉末料漿和復(fù)合粉末料漿中的體 積比必須小于20%。此外，諸如離心力、氣體壓力、電磁力等外加力場(chǎng)同樣可以促使片狀金 屬粉末呈平行排列和堆砌；如果外力的方向與重力一致，則可以強(qiáng)化重力的“水平定向”作 用。此外，在脫除溶劑后期或干燥階段，片狀粉末之間的液膜收縮所產(chǎn)生的壓力，同樣有助 于進(jìn)一步促進(jìn)疊層結(jié)構(gòu)中的平行定向排列。對(duì)金屬粉末進(jìn)行濕法球磨，可以方便地制備片狀金屬粉末，并且片徑和厚度可在 較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，其中厚度在納米尺度的片狀金屬粉末在顏料、涂料、油漆和油墨等領(lǐng) 域都有廣泛的應(yīng)用，但是較少用于金屬基塊體復(fù)合材料的制備。本發(fā)明首先采用攪拌或超 聲分散制備片狀金屬粉末料漿和納米增強(qiáng)體料漿，然后進(jìn)行料漿共混，為了降低體系能量， 納米增強(qiáng)體傾向于均勻吸附于片狀金屬粉末的表面。本發(fā)明的料漿共混工藝對(duì)片狀金屬粉 末和納米增強(qiáng)體的破壞性小，二者的形態(tài)和結(jié)構(gòu)可以被完整地保留下來(lái)，這有助于獲得高 取向度的疊層結(jié)構(gòu)，并通過(guò)片狀金屬粉末的厚度方便地調(diào)控疊層組織的厚度，其中，納米增 強(qiáng)體分布均勻，質(zhì)量百分比可在0. 1% -10%的范圍內(nèi)任意調(diào)控。本發(fā)明簡(jiǎn)單、高效，綠色、 環(huán)保，可制備大塊復(fù)合材料，適用于規(guī)模生產(chǎn)。


圖1本發(fā)明工作原理示意圖，外加力場(chǎng)方向與重力平行；圖2本發(fā)明工作原理示意圖，外加力場(chǎng)方向與重力垂直；圖3本發(fā)明微納米疊層復(fù)合粉末的電子顯微鏡掃描照片；圖4本發(fā)明微納米疊層復(fù)合材料斷口的電子顯微鏡掃描照片。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)一步描述以下實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為 前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。實(shí)施例1碳納米管/銅納米疊層復(fù)合材料采用球磨制備的納米片狀銅粉，片徑約為40-50微米，片厚約為300-400納米，徑 厚比大于150 ；采用經(jīng)強(qiáng)酸處理、表面含有羧基的多壁碳納米管，外徑為20-60納米。將碳納米管和表面活性劑十二烷基硫酸鈉、消泡劑辛醇加入去離子水中，超聲分 散2小時(shí)使碳納米管均勻分散，然后加入去離子水調(diào)節(jié)碳納米管濃度，得到濃度為5mg/ml 的碳納米管料漿；將納米片狀銅粉和表面活性劑聚乙二醇加入到無(wú)水乙醇中，機(jī)械攪拌直至聚乙二 醇完全溶解，得到固相體積含量為10%的納米片狀銅粉料漿；將碳納米管料漿逐滴加入到納米片狀銅粉料漿中，同時(shí)進(jìn)行機(jī)械攪拌，使碳納米管均勻吸附在納米片狀銅粉的表面，當(dāng)碳納米管與納米片狀銅粉的質(zhì)量百分比達(dá)到0. 5% 時(shí)，停止滴加和攪拌；將以上所得碳納米管/銅復(fù)合粉末料漿自然靜置，片狀銅粉將沿水平面方向呈平 行排列，然后進(jìn)行真空抽濾脫除水和乙醇，在此過(guò)程中，復(fù)合粉末在重力和抽濾壓力作用下 沉降并堆砌為疊層結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖1所示，外加力場(chǎng)方向與重力相同。以上所得的濾 餅再經(jīng)60°C真空干燥24小時(shí)，即得到碳納米管/銅納米疊層復(fù)合粉末，在干燥過(guò)程中，片狀 粉末之間的液膜收縮所產(chǎn)生的壓力，可進(jìn)一步促進(jìn)片狀粉末定向排列。用掃描電子顯微鏡 表征所得納米疊層復(fù)合粉末的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。先將碳納米管/銅納米疊層復(fù)合粉末在100噸壓力下冷壓成坯，然后在氬氣氣氛 95050噸壓力下熱壓燒結(jié)4小時(shí)，即得到碳納米管/銅納米疊層復(fù)合材料；用掃描電子 顯微鏡表征所得納米疊層復(fù)合材料的斷口形貌，如圖4所示。實(shí)施例2碳化硼/鋁微米疊層復(fù)合材料采用球磨制備的微米片狀鋁粉，其片徑約為50-70微米，片厚約為2-3微米，徑厚 比大于25 ；納米增強(qiáng)體則采用粒徑約為50納米的納米碳化硼顆粒。將納米碳化硼顆粒和表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉加入去離子水中，超聲分散 0. 5小時(shí)使納米碳化硼顆粒均勻分散，得到固相體積含量5%的納米碳化硼料漿；將聚乙烯醇加入去離子水中，升溫至95°C后機(jī)械攪拌直至聚乙烯醇完全溶解，得 到濃度為3wt%的聚乙烯醇水溶液；將微米片狀鋁粉加入到聚乙烯醇水溶液中，經(jīng)機(jī)械攪 拌得到固相體積含量為20%的微米片狀鋁粉料漿；將適量納米碳化硼料漿和微米片狀鋁粉料漿混合，使其中的納米碳化硼與微米片 狀鋁粉的質(zhì)量百分比為5%，機(jī)械攪拌直至納米碳化硼顆粒均勻吸附在微米片狀鋁粉的表 面；將以上所得納米碳化硼/鋁復(fù)合粉末料漿置于過(guò)濾離心機(jī)中，借助高于100 X g的 離心力作用使復(fù)合粉末堆砌為疊層結(jié)構(gòu)，同時(shí)脫除水分；在此過(guò)程中，外加離心力場(chǎng)方向與 重力垂直，其工作原理如圖2所示。以上所得的濾餅再經(jīng)60°C真空干燥24小時(shí)，即得到納 米碳化硼/鋁微米疊層復(fù)合粉末；在干燥過(guò)程中，片狀粉末之間的液膜收縮所產(chǎn)生的壓力， 可進(jìn)一步促進(jìn)片狀粉末定向排列。將納米碳化硼/鋁微米疊層復(fù)合粉末在氬氣氣氛300°C下熱處理2小時(shí)去除有機(jī)物，再將復(fù)合粉末在100噸壓力下冷壓成坯，然后在氬氣氣氛550°C下燒結(jié)4小時(shí)，最后在 450°C下進(jìn)行真空熱擠壓，擠壓速度為8mm/s，擠壓比為20 1，即得到納米碳化硼/鋁微米
疊層復(fù)合材料。
權(quán)利要求
一種微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將納米增強(qiáng)體加入到溶劑中進(jìn)行攪拌或者超聲分散，制備納米增強(qiáng)體料漿；(2)將微納米片狀金屬粉末加入到溶劑中進(jìn)行攪拌或者超聲分散，制備片狀金屬粉末料漿；(3)將納米增強(qiáng)體料漿和片狀金屬粉末料漿混合，攪拌或者超聲分散直至納米增強(qiáng)體被微納米片狀金屬粉末的表面所吸附，形成復(fù)合粉末料漿；(4)停止攪拌，利用重力或外加力場(chǎng)的定向作用，促進(jìn)復(fù)合粉末料漿中的微納米片狀金屬粉末平行排列和堆砌，然后脫除溶劑，再經(jīng)干燥處理即得到微納米疊層復(fù)合粉末；(5)對(duì)以上微納米疊層復(fù)合粉末進(jìn)行致密化處理，即可得到密實(shí)的塊體微納米疊層金屬基復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，所述的微納 米片狀金屬粉末為鋁、銅、鎂、鈦及其合金粉末中的一至多種。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，所述的 微納米片狀金屬粉末徑厚比大于10，厚度介于200ηπι-5μπι之間，片徑在5_500um之間。
4.如權(quán)利要求1所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，所述的納米 增強(qiáng)體為碳納米管、碳納米纖維、納米碳化物、納米氧化物、納米氮化物中的一至多種。
5.如權(quán)利要求1或者4所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，所述的 納米增強(qiáng)體至少在一個(gè)方向上的尺寸小于100納米。
6.如權(quán)利要求1所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，所述的溶劑 為水或甲醇、乙醇。
7.如權(quán)利要求1所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，在所述的片 狀金屬粉末料漿和復(fù)合粉末料漿中，固相所占的體積比小于20%。
8.如權(quán)利要求1所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，所述的外加 力場(chǎng)為離心力場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、電磁場(chǎng)中的一種。
9.如權(quán)利要求1所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，所述的微納 米疊層復(fù)合粉末中，納米增強(qiáng)體的質(zhì)量百分比為0.1-10%。
10.如權(quán)利要求1所述的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，其特征是，所述的致密 化處理，是先將微納米疊層復(fù)合粉末冷壓成塊體，然后再進(jìn)行熱壓、熱等靜壓、熱擠壓、熱軋 等熱變形加工。
全文摘要
一種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的微納米疊層金屬基復(fù)合材料制備方法，將微納米片狀金屬粉末加入到溶劑中制成片狀金屬粉末料漿，然后將片狀金屬粉末料漿與納米增強(qiáng)體料漿共混，使片狀金屬粉末表面均勻吸附納米增強(qiáng)體并形成復(fù)合粉末料漿，然后自然靜置使片狀金屬粉末在重力作用下與水平方向平行排列并沉降，或者通過(guò)施加外力場(chǎng)促進(jìn)片狀金屬粉末呈平行排列和堆砌，再脫除溶劑即得到疊層復(fù)合粉末，最后經(jīng)致密化處理得到密實(shí)的疊層金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明的方法可制備塊體的微納米疊層金屬基復(fù)合材料，并且環(huán)境友好、簡(jiǎn)單高效，適用于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B22F3/22GK101817084SQ201010160109
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者張荻, 李志強(qiáng), 江林 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)