Mg合金/Al2O3复合材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及轻质高强的金属/陶瓷复合材料，特别是一种Mg合金/Al2O3复合材料及其制备方法。本发明专利技术Mg合金/Al2O3复合材料，是由冰模板法制备的层状结构Al2O3基体和浸渗复合在该基体片层间隙中的Mg合金组成，是将通过冰模板法定向凝固制得层状结构的Al2O3坯体在硅溶胶中浸泡后使纳米SiO2包覆在Al2O3片层表面，再在Ar气氛下进行Mg合金浸渗获得。该复合材料具有高的比强度，当该复合材料的密度为2.57g/cm3时，其压缩强度可达697MPa。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及轻质高强的金属/陶瓷复合材料，特别是一种Mg合金/Al2O3复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，材料的轻质高强化势必成为航空航天、汽车工业和防弹装甲等领域的发展趋势。而Mg合金在金属材料中密度最小，约为Al合金的2/3，因而成为轻型结构材料的首选。但是Mg合金强度低，因而需要通过复合等方法增加其强度。陶瓷材料强度高，但塑性差。将两者复合得到轻质高强的结构材料可以满足应用需求。但是如何有效地复合是决定Mg合金/陶瓷复合材料性能的关键因素。20世纪70年代，人们发现天然贝壳具有“砖-泥”的微观结构，其成分为结晶碳酸钙和蛋白有机物。有机物的含量仅为5vol.％左右，无机碳酸钙层通过有机“胶”相互连接在一起，呈层状结构分布，层厚大约为0.3–0.4μm。这种层状结构的断裂功比单纯的碳酸钙高约3000倍。基于贝壳层状结构的优良特性，人们开始探寻如何制备出仿贝壳的层状结构材料。人们发现通过对水基悬浮液的定向冷冻，可使冰晶和溶质呈层状分布，再经真空冷冻干燥将冰晶升华，从而得到溶质的层状结构，此即冰模板法。利用冰模板法制备仿贝壳层状多孔陶瓷材料既克服了传统生产技术(如流延成型、反应烧结等)无法实现微观结构精细控制(单层厚度小于100μm)的缺点，同时克服了层-层堆积，自组装等无法制备大尺度工程结构材料的缺点。近年来，利用冰模板法制备仿贝壳层状多孔陶瓷材料成为研究热点。但是，将这种方法与金属熔渗技术相结合，即将金属熔体注入到冰模板制备的层状多孔陶瓷孔隙中，来获得层状金属-陶瓷复合材料的研究还很少。目前，我们能够检索到国际上仅有的几篇文献(Minimalcompliancedesignformetal–ceramiccompositeswithlamellarmicrostructures，ActaMater，2011年59卷P4835–4846；Lamellar–interpenetratedAl–Si–Mg/SiCcompositesfabricatedbyfreezecastingandpressurelessinfiltration，Mater.Sci.Eng.A，2015年630卷P78–84；Preparationofhigh–strengthAl–Mg–Si/Al2O3compositeswithlamellarstructuresusingfreezecastingandpressurelessinfiltrationtechniques，ActaMetall.Sin.，2014年27卷5期P944–950)集中在Al基复合材料，浸渗方法主要是压力浸渗和无压浸渗两种。没有检索到任何有关利用冰模板和熔渗技术制备Mg基复合材料的报道。在层状Al基复合材料的制备上，压力浸渗对设备和陶瓷坯体的承压要求比较高，需要高压设备及密封良好的耐高压模具，所以生产成本高，工艺较复杂。而无压浸渗是利用毛细力作用将熔融合金自发渗入到多孔陶瓷的层状孔隙中，对设备和陶瓷坯体的承压要求低，成本低，工艺简单。但无压浸渗最大的瓶颈是要解决金属和陶瓷坯体的润湿性问题。也就是说，只有在两者具有良好润湿的基础上，才可以使熔融合金自发浸渗入多孔陶瓷坯体。先前，中国专利公开号CN201410072030.3，公开日2014年7月2日，专利技术名称为高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法，公开了一种高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法。在此过程中主要是利用了Al合金中的Mg和N2气来改变Al2O3陶瓷与Al合金间的润湿性，从而实现无压浸渗。这一方法的基本原理是在N2气氛下，将Al-Si-Mg合金加热熔融，利用Al合金中的Mg(Mg的质量比为6-10wt.％)蒸发变为Mg蒸气，与N2反应生成Mg3N2。Mg3N2附着在Al2O3片层上，与合金液前沿中的Al继续反应生成AlN并置换出Mg。生成的AlN极大地降低了液固界面的界面能，改善了合金与陶瓷间的润湿性，从而实现Al-Si-Mg合金在层状陶瓷坯体中的无压浸渗。在Al-Si-Mg合金的无压浸渗中，一定含量的Mg和N2气氛是两个必要条件。但是对于Mg合金而言，由于Mg与N2大量反应会生成Mg3N2相，导致合金粉化严重，并且脆性大，所以不宜采用含氮气氛，从而也无法实现金属与陶瓷的润湿。也就是说，上述无压浸渗不能用于制备Mg基金属-陶瓷层状复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种Mg合金/Al2O3复合材料及制备方法，实现以低成本的制备技术获得比强度高的Mg合金/Al2O3复合材料。本专利技术Mg合金/Al2O3复合材料，是由冰模板法制备的层状结构Al2O3基体和浸渗复合在该基体片层间隙中的Mg合金组成。该复合材料的优选结构为：Mg合金层和Al2O3层的厚度为25–100μm；Al2O3的体积分数为10–40vol.％，Mg合金的体积分数为60–90vol.％。本专利技术Mg合金/Al2O3复合材料的制备方法，包括以下步骤：a.用冰模板法定向凝固制得层状结构的Al2O3坯体，并在高温下烧结获得层状结构Al2O3基体；b.将上述Al2O3基体在硅溶胶中浸泡后，在700–950℃下干燥至完全脱水；使纳米SiO2包覆在Al2O3片层表面；c.将Mg合金块置于步骤b处理后的Al2O3基体上，放入马弗炉中，在Ar气氛下随炉升温，在630-700℃下进行浸渗，随炉冷却至室温，即获得Mg合金层和Al2O3层呈交替分布的Mg合金/Al2O3复合材料。步骤a所述的层状结构Al2O3基体，由以下具体实施方式获得：将Al2O3粉用含有分散剂聚甲基丙烯酸钠的水溶液混合，其中Al2O3粉占整个浆料的体积百分比为10-40vol.％，在球磨机中研磨后真空搅拌除气，制得粒径小于5μm的水基Al2O3浆料；将水基Al2O3浆料注入聚四氟乙烯模具中，在-20℃的低温浴中进行定向凝固后，在冷冻干燥机中–50℃和10Pa下进行真空升华脱水，继而在1300-1500℃下烧结，获得具有定向孔隙的层状结构Al2O3基体。步骤b中所述的硅溶胶，SiO2浓度为10-30wt.％，SiO2粒径为10–20nm，浸泡时间为2–120min。步骤c中所述的升温和冷却速度均为5℃/min，所述的Mg合金可选自各种商用牌号，其中典型的AZ系列镁合金中镁的含量为90-100wt.％，铝的含量为1-10wt.％，锌的含量为0.35-1wt.％。本专利技术提供的Mg合金/Al2O3复合材料，进一步拓展了轻质高强金属-陶瓷复合材料品种。当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Mg合金/Al2O3复合材料，其特征在于，是由冰模板法制备的层状结构Al2O3基体和浸渗复合在该基体层间隙中的Mg合金组成。

【技术特征摘要】
1.一种Mg合金/Al2O3复合材料，其特征在于，是由冰模板法制备的层状结构Al2O3基
体和浸渗复合在该基体层间隙中的Mg合金组成。
2.根据权利要求1所述的Mg合金/Al2O3复合材料，其特征在于，其Mg合金层和Al2O3层的厚度为25–100μm；Al2O3的体积分数为10–40vol.％，Mg合金的体积分数为60–90vol.％。
3.权利要求1所述的Mg合金/Al2O3复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a.用冰模板法定向凝固制得层状结构的Al2O3坯体，并在高温下烧结获得层状结构
Al2O3基体；
b.将上述Al2O3基体在硅溶胶中浸泡后，在700–950℃下干燥至完全脱水；
c.将Mg合金块置于步骤b处理后的Al2O3基体上，放入马弗炉中，在Ar气氛下随炉
升温，在630-700℃下进行浸渗，随炉冷却至室温，即获得Mg合金层和Al2O3层呈交替分
布的Mg合金/Al2O3复合材料。
4.根据权利要求3所述的Mg合金/Al2...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈平，刘艳，郭瑞芬，张恒，阿拉腾沙嘎，付玉洁，姜启川，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22