当前位置: 首页 > 专利查询>东南大学专利>正文

一种原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的方法及其所得材料和应用技术

技术编号:17297604 阅读:27 留言:0更新日期:2018-02-18 10:18
本发明专利技术公开了一种原位合成纳米金刚石增强铁镍合金基复合材料的方法,所述复合材料由碳纳米管和铁镍合金粉末作为原材料所制成,制备工艺为放电等离子烧结技术。碳纳米管在铁镍合金粉末的催化和放电等离子烧结的直流脉冲电场作用下部分相变为纳米金刚石,转变比例为50‑80%,碳纳米管和纳米金刚石在复合材料中起到纤维增强和颗粒强化的协同增强效果。相对于现有技术,协同增强的强韧化效果更加优异,本发明专利技术所得到的铁镍合金基复合材料具有比纯铁镍合金更高的硬度、强度和耐磨性能而且具有更低的热膨胀系数,可以广泛应用于精密仪器和高新技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的方法及其所得材料和应用
本专利技术涉及的是一种原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的方法及其所得材料和应用,属于金属基复合材料

技术介绍
铁镍合金包括因瓦合金指镍含量较高的铁镍合金,镍含量在30%-36%。因瓦合金最大的特征是热膨胀系数很低,即随着温度的变化,合金尺寸几乎不变。基于其突出的低热膨胀特性,体积随温度变化非常小,并且具有延展性好、易焊接的特征,因瓦合金被广泛应用于精密仪器、双金属片、机械设备部件等,实验室中主要用来制造标准件、游标卡尺、重力仪、精密测试仪器配件等,在液化石油气储气罐,长程传输电缆等新领域中也有广阔的发展前景,并且在航空航天领域、卫星定位仪等领域有着重要应用。显然因瓦合金在高新
已经占有非常重要的地位。但是该合金具有硬度与强度低,耐磨性能差等问题,有待于解决。最常见的金属强化方式主要有四种,包括固溶强化、形变强化、细晶强化和沉淀强化。上述四种机制都可以有效提升铁镍合金的力学性能,但同时也会对材料的低热胀特征有不良影响。为此,我们需要探索一种新的强化方式,在保证合金的低热胀特性的同时,提高其综合力学性能。制备铁镍基复合材料是一种非常有效的解决途径,尤其是采用纳米碳材料作为增强相。纳米金刚石是纳米碳材料之一,是一种在机械、热学、光学、化学、电子学等方面有着特殊性能的材料。纳米金刚石复合材料有着非常优异的性能以及广泛的应用:(1)超高的硬度、强度和好的耐磨性,使其成为重要的磨削材料;(2)极高的热导率,较低的热膨胀系数使其在散热元件、高温半导体有着广泛的应用。目前纳米金刚石复合材料的制备方法主要将纳米金刚石粉末和金属粉末混合在一定的温度、压力下制备,然而在这样的制备工艺下基体与增强体的界面结合力较差并且增强体的分布不均匀,从而导致复合材料的力学性能下降。
技术实现思路
专利技术目的:为了解决铁镍合金硬度与强度低,耐磨性能差的技术问题,本专利技术提供了一种原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的制备方法。其中,碳纳米管具有极高的强度,在铁镍合金粉末催化剂的催化下与SPS的直流脉冲电场作用下会部分相变为纳米金刚石,转变比例为50-80%,因此获得碳纳米管和纳米金刚石两者协同增强铁镍基复合材料,使其具有优良的力学性能,并使复合材料保持更低的热膨胀系数。技术方案:为了实现上述专利技术目的,本专利技术公开了一种原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的方法,主要由碳纳米管和铁镍基合金粉末构成,碳纳米管作为合成纳米金刚石的碳源,均匀地分散在铁镍基合金中。本专利技术所述的原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料是将分散均匀的碳纳米管加入铁镍基合金中,碳纳米管具有极高的强度和很好的韧性,部分铁镍合金作为催化剂,碳纳米管在催化剂和SPS的直流脉冲电场作用下会部分相变为纳米金刚石,最终获得纳米金刚石和碳纳米管两者协同增强铁镍基合金的复合材料,其具有优异的力学性能并保持较低的热膨胀系数。作为优选,以质量比计,所述碳纳米管的添加比例为铁镍合金质量的0.01-2.0%。作为另一种优选,所述碳纳米管的管径为1-100nm,所述铁镍基合金粉末的颗粒尺寸为1-300μm。作为另一种优选,所述铁镍(FeNi)基复合材料中镍的含量为30-36wt.%,并含有的0-10wt.%的微量元素钴,比较典型有FeNi30,FeNi36,FeNi32Co4、FeNi31Co5。本专利技术原位合成金刚石增强铁镍基复合材料的方法,具体包括以下步骤:(1)液相化学混合:取分散剂(TNADIS)粉末,加入无水乙醇,超声波振荡10-30min,形成分散剂溶液;然后再加入碳纳米管粉末,振荡10-60min;最后再加入铁镍合金粉末,再振荡20-60min,得到的是碳纳米管与铁镍合金的溶液。(2)球磨机械混合:将步骤(1)中所得溶液以球料比5:1-20:1的比例置于球磨罐中,以转速为100-400r/min的转速,交替正反转,球磨2-10h。(3)干燥:将球磨混合后的粉末抽真空干燥5-24h,干燥温度为40-120℃,完全干燥后的粉末用100-400目的筛子过筛。(4)烧结成型:根据所需产品的尺寸参数,取步骤(3)中的粉末,通过放电等离子烧结制备。作为优选,步骤(4)中:所述放电等离子烧结所用的压力为20-100MPa,温度为1000-1300℃,在最高烧结温度保温时间为5-60min。具体制备流程如下:(1)计算称量原始粉末:称量相应质量的碳纳米管粉末和铁镍合金粉末,碳纳米管粉末的添加比例为两种粉末总质量的0.01-2.0%。(2)液相化学混合:取分散剂(TNADIS)粉末,加入无水乙醇,超声波振荡10-30min,形成分散剂溶液;然后再加入(1)中称取的碳纳米管粉末,振荡10-60min;最后再加入(1)中称取的铁镍合金粉末,再振荡20-60min,得到的是碳纳米管与铁镍合金的溶液。(3)球磨机械混合:将步骤(2)中所得溶液以球料比5:1-20:1的比例置于球磨罐中,以转速为100-400r/min的转速,交替正反转,球磨2-10h。(4)干燥:将球磨混合后的粉末抽真空干燥5-24h,干燥温度为40-120℃,完全干燥后的粉末用100-400目的筛子过筛。(5)烧结成型:根据所需产品的尺寸参数,取步骤(4)中的粉末,可通过放电等离子烧结制备。放电等离子烧结成型方法:将(4)中的粉末倒入石墨模具中,装配入上下压头,放置入放电等离子烧结炉中烧结成型,在真空或惰性气氛保护下,压力为20-100MPa,温度为1000-1400℃,测温方式为红外或者热电偶测温,升温速率为20-300℃/min,在最高烧结温度保温5-60min。自然炉冷,脱模得到产品。(6)组织结构分析与性能测试:首先利用扫描电子显微镜对(4)中的原始粉末进行形貌表征,然后对(5)中烧结成型的样品进行XRD物相分析,采用透射电子显微镜来鉴定碳纳米管和金刚石的结构,应用显微硬度计测量显微硬度、微机控制电子万能试验机进行压缩试验测量压缩强度,利用热分析仪测量热膨胀系数,最后采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观测分析。放电等离子烧结(SPS)又称为直流脉冲电场烧结(PECS)和场助烧结技术(FAST)是先进的基于ON-OFF直流脉冲电场活化和压力活化的烧结技术。SPS的烧结机理有:焦耳加热,局部熔化和蒸发,颗粒表面活化,压力活化和塑性形变,场助扩散,等离子体冲击压力、颗粒表面清洁和等离子体烧结。中国专利CN201610302136.7虽然公开了一种纳米金刚石增强钛基复合材料的制备方法,但是其是通过外加纳米金刚石颗粒增强金属基复合材料,而本专利技术是原位自生纳米金刚石增强金属基复合材料,镍铁是金刚石合成的常用催化剂,将碳纳米管添加到镍铁合金中,在放电等离子烧结的直流脉冲电场作用下,碳纳米管会转变为纳米金刚石颗粒,转变率为50-80%,仍然有少量的碳纳米管残留,形成了碳纳米管与原位自生的纳米金刚石协同增强镍铁基复合材料。本专利技术方法原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料,由于纳米金刚石具有优异的机械性能和稳定的热力学性能,则金刚石复合材料被广泛应用于刀具、钻头、散热片和电子封装材料。原位合成纳米金刚石技术可以使金刚石与基体的结合更紧密,润湿性更好,两者的界面更洁净,并且使金本文档来自技高网
...
一种原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的方法及其所得材料和应用

【技术保护点】
一种原位合成纳米金刚石增强铁镍合金基复合材料的方法,其特征在于,所述复合材料主要是由碳纳米管和铁镍合金所制成;其中,所述碳纳米管作为原位自生纳米金刚石的碳源,均匀地分布在铁镍合金基体中。

【技术特征摘要】
1.一种原位合成纳米金刚石增强铁镍合金基复合材料的方法,其特征在于,所述复合材料主要是由碳纳米管和铁镍合金所制成;其中,所述碳纳米管作为原位自生纳米金刚石的碳源,均匀地分布在铁镍合金基体中。2.根据权利要求1所述的原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的方法,其特征在于,以质量比计,所述碳纳米管的添加比例为0.01%-2.0%。3.根据权利要求1所述的原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的方法,其特征在于,所述碳纳米管的管径为1-100nm,铁镍基合金粉末的粒径为1-300μm。4.根据权利要求1所述的原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)液相化学混合:取分散剂粉末,加入无水乙醇,超声波振荡10-30min,形成分散剂溶液;然后再加入碳纳米管粉末,振荡10-60min;最后再加入铁镍合金粉末,再振荡20-60...

【专利技术属性】
技术研发人员:张法明赵佩佩刘腾飞
申请(专利权)人:东南大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1