金属基陶瓷复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种金属基陶瓷复合材料，该复合材料包括金属基体和多个陶瓷空心球，所述陶瓷空心球均匀地分布在所述金属基体中，所述陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；所述多个陶瓷空心球的体积之和是所述金属基陶瓷复合材料体积的45～55％。另外，本发明专利技术还提供一种用于制备金属基陶瓷复合材料的方法，该方法包括预处理步骤、浇铸准备步骤、制备步骤和脱模步骤。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料领域，特别涉及一种金属基陶瓷复合材料及其制备方法。
技术介绍
金属基陶瓷复合材料是以金属材料为基体并以陶瓷材料为增强体的复合材料。目前，金属基陶瓷复合材料中的陶瓷材料通常采用陶瓷颗粒、晶须、纤维和三维多空预制体等。陶瓷颗粒、晶须、纤维作为增强体的复合材料最为常见，在稳态或低载荷作用下表现良好；但韧性差且抗冲击能力弱，在载荷反复变化或有较大冲击时，会呈现为脆性断裂、增强相脱落等，从而造成复合材料的耐磨性难以发挥，并且作为工件使用时的可靠性差。而三维多孔预制体作为增强体的复合材料一定程度上提高了承载能力，但预制体制备工艺复杂。虽然上述传统的金属基陶瓷复合材料都具有相对较好的力学性能、良好的耐磨性和抗腐蚀能力并兼具导热性和导电性，但它们的密度相对较高，制造工艺复杂。近年来，随着我国在航空航天、船舶、车辆、建筑等领域的不断发展，对高强度、轻质量的复合材料的需求也越来越迫切。因此，亟需一种具有良好的力学性能、耐磨性、抗腐蚀性，并具有低密度的金属基陶瓷复合材料；此外，还需要一种工艺流程简单、成本低廉的制备金属基陶瓷复合材料的方法。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，提供了一种金属基陶瓷复合材料，该复合材料包括金属基体和多个陶瓷空心球，所述陶瓷空心球基本上均匀地分布在所述金属基体中，所述陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；所述多个陶瓷空心球的体积之和是所述金属基陶瓷复合材料体积的45～55％。所述金属基体选自铝、镁、锌、铜、钛、铁、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金和铁合金中的一种。优选地，所述金属基体为铁、铝、铝合金中的一种。所述陶瓷空心球由氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷中的一种或多种制成。优选地，所述陶瓷空心球由氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷中的一种或多种制成。根据本专利技术的另一方面，提供了一种制备金属基陶瓷复合材料的方法，包括以下步骤：预处理步骤，对陶瓷空心球进行酸洗处理，并对经过酸洗处理的陶瓷空心球进行预热处理；浇铸准备步骤，在铸模底部设置第一垫板，然后将预处理后的陶瓷空心球置入所述铸模内；其中，所置入的陶瓷空心球的总体积占所述铸模体积的45～55％；将第二垫板覆盖在最顶层的陶瓷空心球上面，并开始预热；同时，对金属材料进行加热，并使之处于熔融状态；制备步骤，将熔化后的金属材料浇铸到容纳腔室内，在浇铸过程中保持在所述铸模内的陶瓷空心球的堆积方式不发生改变；然后，开启分子泵并打开所述铸模底部的阀门，并使所述铸模内的真空度保持在0.01～0.09MPa范围内；此时，在负压的作用下使所述金属材料渗透过所述第二垫板浸入到在所述铸模内的陶瓷空心球之间的间隙中；等待所述材料完全浸入所述陶瓷空心球之间的间隙之后，关闭所述阀门和分子泵；之后，将铸锭冷却至室温；以及脱模步骤，在室温下保持5～10个小时后，脱模取出所述铸锭。优选地，所述第一垫板为孔径0.25～0.45mm、厚度12～15mm的多孔陶瓷或石墨板。优选地，所述第二垫板为孔径10～12mm、厚度25～30mm的多孔陶瓷或石墨板。附图说明图1为本专利技术所提供的一种金属基陶瓷复合材料的截面示意图；图2为本专利技术所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的方法的流程图。图3为本专利技术所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的设备的示意图。具体实施方式现在参考如附图中所示的具体实施例来详细描述本专利技术。为了清楚起见，本文没有具体描述本领域技术人员所公知的部件或结构。另外，尽管结合特定实施例对本专利技术进行描述，但应理解的是，该描述并不旨在将本专利技术限制于所描述的实施例。相反，该描述旨在覆盖可包括在由所附权利要求书限定的本专利技术的精神和范围内的替换、改进和等同方案。本专利技术中金属材料包括金属和金属合金。例如，铝、镁、锌、铜、钛、铁、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金、铁合金。本领域技术人员可以根据实际需要，任意选择合适的金属材料。此外，本专利技术中陶瓷材料可以是各种适合的陶瓷材料，包括但不限于氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和金属陶瓷。优选地，例如，氧化铝陶瓷，氧化硅陶瓷、氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷。在本专利技术中，陶瓷材料被烧结为空心球，即，陶瓷空心球。陶瓷空心球可以由一种类型的陶瓷材料制成，也可以由多种类型的陶瓷材料制成。本领域技术人员可以根据陶瓷材料的类型和空心球的直径要求，选用现有技术中常规的制备方法来制备本专利技术中所采用的陶瓷空心球。图1为本专利技术所提供的金属基陶瓷复合材料的截面示意图。如图1所示，金属基陶瓷复合材料10包括金属基体11和多个陶瓷空心球12，陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；其中，金属基陶瓷复合材料10中所有的陶瓷空心球12的体积之和是该金属基陶瓷复合材料10体积的45～55％。图2为本专利技术所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的方法的流程图。如图2所示，本专利技术所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的方法包括准备步骤、预处理步骤、浇铸准备步骤、制备步骤和脱模步骤。图3为本专利技术所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的设备的示意图。如图3所示，本专利技术所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的设备30主要包括铸模31，用于容纳熔融金属液的容纳腔室32，用于保持压力的保压部件33，用于实现分段加热的分段式电炉34，第一垫板35，第二垫板36以及用于将分子泵和铸模之间隔离的阀门37。下面结合图3，对图2所给出的制备金属基陶瓷复合材料的方法进行详细说明。本专利技术所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的方法包括：准备步骤：将选定的陶瓷材料制备成特定规格的空心球或者直接从市场上购买符合要求的陶瓷空心球。根据实际需要，本领域技术人员可利用现有技术中合适的制备方法制备出各种规格的陶瓷空心球。预处理步骤：对已准备好的陶瓷空心球进行酸洗处理，并对经过酸洗处理的陶瓷空心球进行预热处理。浇铸准备步骤：首先在铸模31的底部设置第一垫板35，然后将预处理后的陶瓷空心球置入铸模31内；其中，所置入的陶瓷空心球的总体积占铸模体积的45～55％；接着，将第二垫板36覆盖在最顶层的陶瓷空心球上面，并开始预热；同时，对金属材料进行加热，并使之处于熔融状态。优选地，第一垫板35优选为孔径0.25～0.45mm、厚度12～15mm的多孔陶瓷或石墨板。优选地，第二垫板36优选为孔径10～12mm、厚度25～30mm的多孔陶瓷或石墨板。制备步骤：首先将熔化后的金属材料浇铸到容纳腔室32内，在浇铸过程中保持陶瓷空心球的堆积方式不发生改变；然后，开启分子泵并打开铸模31底部的阀门37，使铸模31内的真空度保持在0.01～0.09MPa范围内；此时，在负压的作用下使熔融的金属材料渗透过第二垫板浸入到铸模31内的陶瓷空心球之间的间隙中；等待熔融的金属材料完全浸入陶瓷空心球之间的间隙之后，关闭阀门37和分子泵；之后，将铸锭冷却至室温。脱模步骤：在室温下保持5～10个小时后，脱模取出铸锭。下面将结合本专利技术的优选实施例对本专利技术的各种技术方案和优点进行详细描述。(优选实施例1)本优选实施例选用铁作为复合材料的金属基体，采用氧化铝陶瓷作为制备空心球的材料。其制备步骤如下：步骤101：通过常规方法制备出或直接购买直径为20mm的氧化铝陶瓷空心球；步骤102：将准备好的氧化铝陶瓷空心球放入浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属基陶瓷复合材料，包括金属基体和多个陶瓷空心球，所述陶瓷空心球基本上均匀地分布在所述金属基体中，所述陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；所述多个陶瓷空心球的体积之和是所述金属基陶瓷复合材料体积的45～55％。

【技术特征摘要】
1.一种金属基陶瓷复合材料，包括金属基体和多个陶瓷空心球，所述陶瓷空心球基本上均匀地分布在所述金属基体中，所述陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；所述多个陶瓷空心球的体积之和是所述金属基陶瓷复合材料体积的45～55％。2.如权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基体选自铝、镁、锌、铜、钛、铁、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金和铁合金之一。3.如权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基体为铁。4.如权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基体为铝。5.如权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基体为铝合金。6.如权利要求1或2所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述陶瓷空心球由氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷中的一种或多种制成。7.如权利要求1或2所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述陶瓷空心球由氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷中的一种或多种制成。8.一种制备金属基陶瓷复合材料的方法，包括以下步骤：预处理步骤，对陶瓷空心球进行酸洗处理，并对经过酸洗处理的陶瓷空...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文玉，
申请(专利权)人：北京中煤煤炭洗选技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11