立方氮化硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供一种立方氮化硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法。本发明专利技术的方法中，立方氮化硼的体积分数在1～40％之间可调。本发明专利技术的立方氮化硼颗粒增强的铝基复合材料制备方法具有时间短、工艺简单，生产成本低，适于工业化生产的特点。采用本发明专利技术方法制备的块体铝基复合材料致密度高、洁净纯、具有较高的硬度。与现有技术相比，本发明专利技术所制备的立方氮化硼颗粒增强铝基复合材料，采用高压条件，氮化硼颗粒的体积分数在1～40％之间变化；复合材料的相对密度在96.33～98.51％，布氏硬度在31.65～90.24HB，热导率在181.5～198.5W·m

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料
，具体涉及一种采用高压法制备立方氮化硼增强铝基复合材料的方法。
技术介绍
铝基复合材料具有密度小、热稳定性好、导电、可设计性强等优点，在机械、电子、航空、航天、汽车等领域的应用日益广泛。其中，颗粒增强铝基复合材料因其制作成本低、原材料来源充足、综合性能好，容易实现商业生产，在工业领域前景广阔，具有较大的发展潜力。立方氮化硼(c-BN)具有仅次于金刚石的硬度、良好的热导率、低膨胀系数等优异性能，是一种理想的复合材料增强相。随着人工高压合成立方氮化硼的商业化生产，生产技术改进，使得人工合成立方氮化硼的成本降低，其使用范围逐渐涉及到材料制备的各个方面。就复合材料来说，提高材料的致密度是提升其性能的关键要素。传统的颗粒增强铝基复合材料的制备方法为无压烧结和热压烧结(烧结压力为数十MPa)，制备的材料致密度较低，相对密度一般在90～95％之间，其机械硬度也偏低，影响了其应用范围。因此，目前所采用的铝基复合材料的制备方法所得到的复合材料的密度和硬度均有待提高，目前，尚未发现有文献报道一种能够简单快捷地制备出铝基立方氮化硼复合材料并且能够将其相对密度提高到95％以上的技术。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种立方氮化硼颗粒增强铝基复合材料的高压制备方法。采用该高压制备方法，能够制备出相对密度高于95％的立方氮化硼颗粒增强铝基复合材料。具体而言，本专利技术提供一种立方氮化硼颗粒增强的铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1)取第一预定量的铝粉；步骤2)取第二预定量的立方氮化硼颗粒；步骤3)将所述铝粉与所述立方氮化硼颗粒混合均匀获得相应混合物；步骤4)将所述混合物压制成块体；步骤5)所压制成的块体组装在目标试块中，并对所述目标试块进行干燥处理；步骤6)将经干燥处理后的目标试块置于立体加压装置中；步骤7)对所述试块在加压状况下按预定烧结条件进行烧结，得到立方氮化硼增强铝基复合材料。在一种优选实现方式中，所述立方氮化硼颗粒的粒径为38～44μm，所述铝粉的平均粒径为70-80μm；所述立方氮化硼颗粒的体积分数在1～40％之间。在另一种优选实现方式中，所述步骤3)中的混合过程包括：将所述铝粉与所述立方氮化硼颗粒导入密闭的混料罐内，置于行星式混料机上，以100～150转/分钟的速度混合3-5小时；所述步骤4)中压制的过程包括：将混合所获得的混合物，置于粉末成型模具内，以40-60MPa的压强将粉末预压成圆柱状块体。在另一种优选实现方式中，所述步骤(5)包括将所压制成的块体组装在高压设备专用的叶腊石复合块内，所述步骤(6)包括将含有所述块体的叶腊石复合块放置于120℃的烘箱中烘干1.5小时以除去组装过程中引入的水分。在另一种优选实现方式中，所述步骤(7)中，采用如下烧结条件；压力范围为1～4GPa；温度范围为400～700℃。在另一种优选实现方式中，所述烧结过程包括：(1)第一阶段：以预定的升压速度将烧结压力升至第一压力P1，该升压阶段时间为1-2分钟，在所述第一阶段升压过程中，当压力升至P1/2时，开始升温；控制升温速率使得当压力达到P1时，温度达到第一温度T1；(2)第二阶段：压力保持P1不变，持续2～3分钟，然后开始继续升压至第二压力P2，由第一压力P1升至第二压力P2的升压时间为1分钟；该阶段温度保持不变；(3)第三阶段：将压力匀速升至第三压力P3并且将温度匀速升至第二温度T2，时间持续5～30分钟，此阶段为最终烧结过程，P3和T2为最终烧结压力和温度；(4)第四阶段：停止加热，将压力由第三压力P3逐渐降至大气压。在另一种优选实现方式中，所述立方氮化硼颗粒占铝粉和立方氮化硼总体积的1％-40％。在一种优选实现方式中，P1＝0.6P3，P2＝0.8P3，T1＝0.7T2。需要说明的是，如无特殊说明，本专利技术中所提到的“叶腊石复合块”、“行星式混料机”等部件或设备均为本领域中的常用部件或设备；本专利技术中所提到的材料均为市售常规材料。本专利技术的优点如下：本专利技术的立方氮化硼颗粒增强的铝基复合材料制备方法具有时间短、工艺简单，生产成本低，适于工业化生产的特点。采用本专利技术制备的块体铝基复合材料致密度高、洁净纯、具有较高的硬度。与现有技术相比，本专利技术所制备的立方氮化硼颗粒增强铝基复合材料，采用高压条件，氮化硼颗粒的体积分数在1～40％之间变化；复合材料的相对密度在96.33～98.51％，布氏硬度在31.65～90.24HB，热导率在181.5～198.5W·m-1·K-1；该系列参数明显高于传统方式(无压或热压)烧结。另外，该复合材料制备过程，没有发生化学反应产生第三相。而现有技术中的方案往往会产生第三相。附图说明图1为本专利技术所采用的复合材料制备方法的示意性流程图图2为本专利技术所采用的复合材料制备方法的工艺曲线图3为按照本专利技术实施例3中的方法烧结得到的立方氮化硼颗粒增强铝基复合材料的X射线衍射图谱具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的实施例进行详细描述。实施例一在本实施例中，具体的制备过程如下：将纯铝粉与立方氮化硼颗粒以7：3的体积比进行均匀混合；将混合物倒入密闭的混料罐内，置于行星式混料机上，以120转/分钟的转速进行混合，混合时间为4小时；将混合好的复合粉末料，置于粉末成型模具内，以50MPa的压强将粉末预压成圆柱状块体，然后进行无压烧结，烧结温度为600℃，时间20分钟。采用上述制备方法，所获得样品的相对密度为：91.32％，布氏硬度为：31.65HB，热导率175.362W/(m·K)。实施例二在本实施例中，具体的制备过程如下：将纯铝粉与立方氮化硼颗粒以6：4的体积比进行均匀混合；将混合物倒入密闭的混料罐内，置于行星式混料机上，以120转/分钟的转速进行混合，混合时间为4小时；将混合好的复合粉末料，置于粉末成型模具内，以50MPa的压强将粉末预压成圆柱状块体；进行热压烧结，烧结压力为40MPa，烧结温度为650℃，时间25分钟。本实施例中所获得样品的相对密度为：89.87％，布氏硬度为：36.29HB，热导率179.215W/(m·K)。申请人发现，在上面的两个实施例中，虽然也可以制成铝基立方氮化硼复合材料，但是相对密度的结果并不十分理想。因此，专利技术人对高压制备铝基复合材料的流程和配比进行了优化，意外发现一种能够显著提升相对密度的方式。下面将结合实施例3-6来详细介绍。实施例3本实施例以及后续实施例中，申请人采用了一种压力-温度配合方式，其温度和压力曲线如图1所示。本实施例中的制备过程如下，将纯铝粉与立方氮化硼颗粒以9：1的体积比进行均匀混合；将混合物倒入密闭的混料罐内，置于行星式混料机上，以120转/分钟的转速混合，混合时间为4小时；将混合好的复合粉末料置于粉末成型模具内，以50MPa的压强将粉末预压成圆柱状块体；将块体置于叶腊石试块中进行高压烧结，高压烧结包括四个阶段：(1)第一阶段：以2.0GPa/分钟的升压速度将烧结压力升至第一压力P1＝2.4GPa，该升压阶段时间为1-2分钟，在第一阶段的升压过程中，当压力升至1.2GPa时，开始升温；控制压力和温度的配合关系，使得当压力达到P1＝2.4GPa时，使温度达到第一温度T1＝420℃；(2)第二阶段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立方氮化硼颗粒增强的铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1)取第一预定量的铝粉；步骤2)取第二预定量的立方氮化硼颗粒；步骤3)将所述铝粉与所述立方氮化硼颗粒混合均匀获得相应混合物；步骤4)将所述混合物压制成块体；步骤5)所压制成的块体组装在目标试块中，并对所述目标试块进行干燥处理；步骤6)将经干燥处理后的目标试块置于立体加压装置中；步骤7)对所述试块在加压状况下按预定烧结条件进行烧结，得到立方氮化硼增强铝基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种立方氮化硼颗粒增强的铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1)取第一预定量的铝粉；步骤2)取第二预定量的立方氮化硼颗粒；步骤3)将所述铝粉与所述立方氮化硼颗粒混合均匀获得相应混合物；步骤4)将所述混合物压制成块体；步骤5)所压制成的块体组装在目标试块中，并对所述目标试块进行干燥处理；步骤6)将经干燥处理后的目标试块置于立体加压装置中；步骤7)对所述试块在加压状况下按预定烧结条件进行烧结，得到立方氮化硼增强铝基复合材料。2.根据权利要求1所述的铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述立方氮化硼颗粒的粒径为38～44μm，所述铝粉的平均粒径为70-80μm；所述立方氮化硼颗粒的体积分数在1～40％之间。3.根据权利要求1所述的铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的混合过程包括：将所述铝粉与所述立方氮化硼颗粒导入密闭的混料罐内，置于行星式混料机上，以100～150转/分钟的速度混合3-5小时；所述步骤4)中压制的过程包括：将混合所获得的混合物，置于粉末成型模具内，以40-60MPa的压强将粉末预压成圆柱状块体。4.根据权利要求1所述的铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤(5)包括将所压制成的块体...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡美华，毕宁，李尚升，宿太超，胡强，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41