鋁包石墨復(fù)合粉體、包含該復(fù)合粉體的鋁-石墨復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種鋁包石墨復(fù)合粉體、包含該復(fù)合粉體的鋁-石墨復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于其優(yōu)良的性能和低成本受到人們的青睞，目前顆粒增強(qiáng)相有氧化招、碳化娃、碳化欽以及石墨等。石墨顆粒的加入能夠顯者提尚材料的耐磨、減摩和自潤滑性能，同時(shí)大大改善材料的膨脹系數(shù)，因此該復(fù)合材料可用于制造活塞、缸套、軸瓦等耐磨件，也用作減震零件，有廣闊應(yīng)用前景。
[0003]目前，鋁-石墨復(fù)合材料的制備方法由鋁合金基體狀態(tài)的不同可以分為固態(tài)法和液態(tài)法兩大類。液態(tài)法制備鋁-石墨復(fù)合材料時(shí)，由于石墨在鋁中的溶解度小于0.05%，且石墨與鋁的潤濕角高達(dá)157°，在1000°C時(shí)仍大于90°石墨很難分散于鋁中，又由于石墨密度小，容易在鋁液中上浮，也易產(chǎn)生偏聚。粉末冶金是固態(tài)法制備鋁基復(fù)合材料的常用方法之一，人們制備招_石墨復(fù)合材料最先使用的方法就是粉末冶金法。用粉末冶金法制備時(shí)，由于鋁粉和石墨粉的比重差別，且石墨粉凝聚性強(qiáng)，分散性差，故混合不容易均勻，易產(chǎn)生偏聚;復(fù)合材料的綜合機(jī)械性能會受到很大的影響。為了解決石墨與鋁的潤濕性較差以至于產(chǎn)生偏聚的問題，在制備鋁石墨復(fù)合材料時(shí)需要對石墨表面進(jìn)行處理，來增加兩者的潤濕性。
[0004]最常見的對石墨表面的處理是石墨表面化學(xué)鍍銅和鍍鎳。公開號為CNl 676640A，由上海交通大學(xué)的張小農(nóng)，顧金海，趙常利撰寫的發(fā)明專利《鍍銅石墨顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料》中指出石墨表面的化學(xué)銅涂層可以有效改善石墨和純鎂基體之間的潤濕，促進(jìn)燒結(jié)，從而提高最終的力學(xué)性能，但是化學(xué)鍍?nèi)芤悍€(wěn)定性較差，溶液的維護(hù)、調(diào)整和再生都比較麻煩，生產(chǎn)成本較高。公開號為CN102601356A，由河南理工大學(xué)的歷長云、米國發(fā)、許磊等人撰寫的發(fā)明專利《一種鋁包碳化硅復(fù)合顆粒及由其制備的復(fù)合材料》中也提出用粘結(jié)劑將納米鋁粉包覆在碳化硅表面，提高鋁與碳化硅的潤濕性，并用熱壓燒結(jié)方法制備出了組織致密，無碳化硅團(tuán)聚現(xiàn)象，力學(xué)性能優(yōu)異的碳化硅鋁基復(fù)合材料，但是該專利直接對納米鋁包覆的碳化硅進(jìn)行燒結(jié)制備復(fù)合材料，所用的納米鋁粉量較大，而納米鋁粉制備工藝較復(fù)雜，成本較高。
[0005]雖然將石墨鍍銅或鍍鎳會增加鋁與石墨之間的潤濕性，使石墨在復(fù)合材料中的不均勻程度降低，但是銅或鎳的加入會使復(fù)合材料中出現(xiàn)新的合金元素乃至新的相，而這些相又可能是我們不希望得到的，且石墨表面鍍銅和鎳的制備成本也比較大，對環(huán)境有污染。粉末冶金是將鋁或鋁合金粉末與石墨粉混合，經(jīng)壓實(shí)、燒結(jié)成復(fù)合材料，粉末冶金通過機(jī)械方法將石墨與鋁基體粉末混合在一起，使二者分布相對較均勻，在一定程度上克服了石墨與鋁潤濕性差而使石墨不易加入鋁基體和石墨與鋁分布不均勻的問題，但粉末冶金制備工藝和設(shè)備較復(fù)雜，顆粒表面的氧化膜及材料的孔隙使復(fù)合材料力學(xué)性能較低，產(chǎn)品的形狀和尺寸受到一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種鋁包石墨復(fù)合粉體、包含該復(fù)合粉體的鋁-石墨復(fù)合材料及其制備方法，能夠解決鋁-石墨復(fù)合材料制備過程中石墨偏聚的問題和石墨表面化學(xué)鍍銅/鎳工藝的局限性問題。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]—種鋁包石墨復(fù)合粉體，包括納米級鋁粉或鋁合金粉末、石墨和粘接劑，其中:所述納米級招粉或招合金粉末，粒度為50?10nm，為包覆材料;所述石墨，粒度為20?70μηι，為包覆核心；所述粘接劑，由環(huán)氧樹脂和/或酚醛樹脂+環(huán)氧稀料+乙二胺和/或NL固化劑組成;所述納米級鋁粉或鋁合金粉末通過粘結(jié)劑包覆于石墨表面。
[0009]進(jìn)一步地，在上述鋁包石墨復(fù)合粉體中，將所述納米級鋁粉或鋁合金粉末與所述石墨的總體積分?jǐn)?shù)計(jì)為100%，其中所述納米級鋁粉或鋁合金粉末的體積分?jǐn)?shù)為60%?80%，所述石墨的體積分?jǐn)?shù)為20%?40%。
[0010]進(jìn)一步地，在上述鋁包石墨復(fù)合粉體中，所述粘接劑以重量計(jì)的配比為環(huán)氧樹脂:環(huán)氧稀料:乙二胺=7?10:10?12:1?3;或者所述粘接劑以重量計(jì)的配比為酚醛樹脂:環(huán)氧稀料:NL固化劑=8?11:10?12:1?3。
[0011]進(jìn)一步地，在上述招包石墨復(fù)合粉體中，所述粘結(jié)劑重量占所述納米級招粉或招合金粉末、所述石墨和所述粘結(jié)劑總重量的5%?8%。
[0012]進(jìn)一步地，在上述鋁包石墨復(fù)合粉體中，所述納米級鋁合金粉末選自ZL101、ZL101A、ZL102、6061、6063。
[0013]進(jìn)一步地，在上述鋁包石墨復(fù)合粉體中，所述納米級鋁粉或鋁合金粉末的粒度為70?90nm，所述石墨的粒度為40?60μηι。
[0014]本發(fā)明還提供了一種制備上述鋁包石墨復(fù)合粉體的方法，包括如下步驟:
[0015](I)將稱好的所述納米級鋁粉或鋁合金粉末與所述石墨混合5?1min，得到混合粉末；
[0016](2)將所述混合粉末倒入環(huán)氧樹脂和/或酚醛樹脂+環(huán)氧稀料形成的均勻混合液中，混合5?1min后，再加入乙二胺和/或NL固化劑進(jìn)行常溫固化；
[0017](3)固化完成后繼續(xù)混合25?35min，制備出鋁包石墨復(fù)合粉體。
[0018]本發(fā)明還提供了一種鋁-石墨復(fù)合材料，所述鋁-石墨復(fù)合材料由上述鋁包石墨復(fù)合粉體和微米級鋁粉或鋁合金粉末復(fù)合而成，將所述鋁-石墨復(fù)合材料的總體積分?jǐn)?shù)計(jì)為100%，其中所述微米級鋁粉或鋁合金粉末、和所述納米級鋁粉或鋁合金粉末的體積分?jǐn)?shù)為85 %?99 %，所述石墨的體積分?jǐn)?shù)為I %?15 %。
[0019]本發(fā)明還提供了一種制備上述鋁-石墨復(fù)合材料的方法，包括如下步驟:
[0020](I)按權(quán)利要求8所述的質(zhì)量配比分別稱量所需的原料，將鋁包石墨復(fù)合粉體和所述微米級招粉或招合金粉末裝入混料機(jī)混合30?35min;
[0021 ] (2)將步驟(I)得到的材料進(jìn)行高壓燒結(jié)，工藝參數(shù)為:燒結(jié)溫度4500C?750 V，燒結(jié)壓力3.5GPa?5.5GPa，保溫保壓時(shí)間40?45min，得到高壓燒結(jié)的鋁-石墨復(fù)合材料。
[0022]本發(fā)明還提供了另一種制備上述鋁-石墨復(fù)合材料的方法，包括如下步驟:
[0023](I)按權(quán)利要求8所述的質(zhì)量配比分別稱量所需的原料，將鋁包石墨復(fù)合粉體和所述微米級招粉或招合金粉末裝入混料機(jī)混合30?35min;
[0024](2)將步驟(I)得到的材料進(jìn)行熱壓燒結(jié)，工藝參數(shù)為:290?310°C保溫25?35分鐘，燒結(jié)溫度500°C?5350C，燒結(jié)壓力25MPa?50MPa，熱壓燒結(jié)時(shí)間150?210min，得到熱壓燒結(jié)的鋁-石墨復(fù)合材料。
[0025]本發(fā)明針對鋁-石墨復(fù)合材料制備過程中石墨偏聚的問題和石墨表面化學(xué)鍍銅鍍鎳工藝的局限性問題，利用粘結(jié)劑將鋁粉包覆在石墨上，石墨之間就被納米鋁粉所阻隔，在混粉過程中使石墨不易凝聚，能夠均勻分布，再者，在燒結(jié)過程中，鋁處于熔融狀態(tài)，同種物質(zhì)之間容易結(jié)合，所以石墨表面的納米鋁粉增加了鋁與石墨的潤濕性。鋁粉愈細(xì)，包覆層就越均勻，選用納米鋁粉或鋁合金粉末，可以獲得更均勻，包覆效果更好的鋁包石墨復(fù)合粉體。本發(fā)明采用熱壓和高壓的方法用納米鋁包覆的石墨制備鋁-石墨復(fù)合材料，鋁-石墨復(fù)合材料是由鋁合金基體和均勻的分布在基體中的石墨構(gòu)成的，它綜合了鋁與石墨兩者的優(yōu)良特性，既有鋁的比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好等金屬特性，又有石墨的自潤滑性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能顯著提高材料的耐磨、減摩和自潤滑性能，能改善材料吸振性和切削加工性能，降低膨脹系數(shù)，應(yīng)用前景廣闊。
【附圖說明】
[0026]構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。其中:
[0027]圖1為納米鋁粉體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)制備的鋁包石墨復(fù)合粉體掃描照片；
[0028]從圖1可以看出，雖然納米鋁粉在石墨上的分布均勻，但納米鋁粉含量太少，未將石墨完全包覆，包覆效果不好，會影響混粉效果，復(fù)合材料會出現(xiàn)石墨團(tuán)聚的現(xiàn)象。
[0029]圖2為本發(fā)明即納米鋁粉體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)制備的鋁包石墨復(fù)合粉體掃描照片；
[0030]圖2中增加了納米鋁粉的含量，納米鋁粉的體積分?jǐn)?shù)為60%，圖中石墨幾乎被納米鋁粉完全包覆，包覆效果明顯好于圖1。
[0031]圖3為石墨體積分?jǐn)?shù)為5%的高壓燒結(jié)鋁-石墨復(fù)合材料的金相照片；
[0032]圖4為石墨體積分?jǐn)?shù)為5%的熱壓燒結(jié)鋁-石墨復(fù)合材料的掃描照片。
[0033]從圖3和圖4中可以看出鋁基體與石墨均勻分布，且未發(fā)現(xiàn)有氣孔存在。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0035]如圖1至圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種鋁包石墨復(fù)合粉體，包括鋁粉或招合金粉末、石墨和粘接劑，其中:招粉或招合金粉末，粒度為50?10nm，為包覆材料;石墨，粒度為20?70μηι，為包覆核心；粘接劑，由環(huán)氧樹脂和/或酸醛樹脂+環(huán)氧稀料+乙二胺和/或NL固化劑組成。
[0036]鋁包石墨復(fù)合粉體選用石墨為包覆核心，選用納米