一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法，包括：以负膨胀材料粉体和金属基体粉末为原料，将两者混合后得到混合粉末，再将混合粉末放入模具中真空热压烧结，烧结温度为300‑600℃，烧结压力为300‑500MPa，保压时间5‑30min，得到近零膨胀金属基复合材料；负膨胀材料选用Mn

A preparation method of light dense near zero expansion metal matrix composite

【技术实现步骤摘要】
一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种轻质近零膨胀复合材料，具体地说，涉及一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法。
技术介绍
自然界中绝大多数材料都表现出“热胀冷缩”的现象。材料的这一特性在给人类提供诸多便捷的同时，也给现代生活带来很多困扰，主要在于热胀冷缩会使材料内部产生热应力，甚至导致材料产生裂纹而失效。材料体积随温度的变化而变化的性质，也会对精密零部件的精确度产生很大影响。例如，对于望远镜、激光设备、光纤通讯等精密光学设备的精确光聚焦与光路准直，由热膨胀引起的零部件尺寸的“失之毫厘”，可能会导致测试结果的“谬之千里”。负热膨胀材料由于具有热缩冷胀这一特殊性能，自上世纪50年代发现后，受到国际上广泛关注。这一反常的热膨胀行为，使负热膨胀材料有许多潜在的应用价值。负热膨胀材料用于减小或者消除温度对零部件或者结构件的影响，减小或消除热膨胀导致的内应力破坏，提高设备的综合性能、使用精度，延长使用寿命。这对航空航天、电子元件、光学器件、精密仪器等领域具有重要的意义。金属由于具有优良的热学性质和力学性质，是结构设计、机械系统和电子封装中广泛应用的材料。金属是正热膨胀材料，将金属和负膨胀材料(增强体)有效复合，就可以得到既具有金属优异性能且近零膨胀的金属基复合材料。经检索发现，申请号为201510997600.4的中国专利，公开了一种Mn3(ZnxGe1-x)N/Mn2N复合材料，通过调整其中x的值，实现复合材料的平均线热膨胀系数在较宽的温度区间内，可正，可负或者近零。其制备方法如下：(1)称取纯度为99.9％的锰粉，然后将其放入管式炉中，在流动的高纯(99.99％)氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率升温至800℃，保温25小时，随炉冷却，合成Mn2N；(2)称取过量Mn2N，同时按照化学计量比称量Zn粉和Ge粉，混合均匀，在玛瑙研钵中研磨30分钟；(3)将粉末样品均匀倒入小瓷舟中，再将小瓷舟放入石英管中并同时抽真空至10-5Pa，然后密封石英管；(4)将石英管放进管式炉中，升温至850℃，保温25小时，冷却至室温，关闭电源，随炉冷却至室温，即得到目标产物Mn3(ZnxGe1-x)N/Mn2N。但上述专利存在以下不足：该专利是以陶瓷为基体，由于陶瓷具有导电性较差、脆性大、耐冲击能力低等本质缺陷，使其应用范围大大受限；其次，该专利的制备过程中由于没有加压烧结，得到的最终产物致密性较差，粉末样品烧结体内部结构较为松散，力学性能较差。目前国内关于近零膨胀复合材料的研究还处于起步阶段，且其近零膨胀材料的研究全部使用树脂做为基体。树脂基复合材料由于其材料本身特性，具有材料脆、易老化、不耐温、易损伤等缺点，使其应用范围大大受限。而兼具轻质、近零膨胀特性以及金属性能的金属基复合材料的研究，国内国外没有相关报道。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法。根据本专利技术提供一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法，包括：以负膨胀材料粉体和金属基体粉末为原料，将两者混合后得到混合粉末；再将所述混合粉末放入模具中真空热压烧结，烧结温度为300-600℃，烧结压力为300-500MPa，保压时间5-30min，得到所述近零膨胀金属基复合材料；其中：所述负膨胀材料选用Mn3(MnxZnySnz)N，其中，x+y+z＝1；所述金属基体选用铝、镁或钛中任一种。当烧结温度小于300℃时，烧结压力3000MPa或者保压时间小于5min，会导致增强体材料和基体材料无法结合；当烧结温度高于600℃、保压时间大于30min或烧结压力大于500MPa，会导致增强体与金属基体过度反应，在上述烧结参数，才能保证获得近零膨胀的金属基复合材料。优选地，所述以负膨胀材料粉体和金属基体粉末为原料，将两者混合后得到混合粉末，其中：混粉时间为5-30小时，转速为10-120r/min。优选地，所述模具为不锈钢模具。优选地，还包括：制备所述Mn3(MnxZnySnz)N粉体，其中：将块体Mn3(MnxZnySnz)N在真空球磨机上球磨，制得所述Mn3(MnxZnySnz)N粉体，筛分不同粒径后，作为原料备用。优选地，所述Mn3(MnxZnySnz)N球磨至粒径为大于0μm且小于150μm。优选地，所述铝、所述镁或所述钛的纯度为99.95％以上。优选地，所述铝、所述镁或所述钛粉末的粒径为大于0μm且小于等于300μm。金属基体粉末的粒径大于0μm且小于等于300μm范围内，可以保证复合材料的热膨胀性能均匀，并且可以保证负膨胀材料增强体在复合材料内产生弥散强化的效果，增强复合材料的综合性能。现有技术相比，本专利技术具有如下至少一种的有益效果：本专利技术上述制备方法中，以金属作为基体材料，负膨胀材料作为增强体，不仅可以得到近零膨胀(热膨胀系数可达0ppm/K)的复合材料，而且兼具有良好的力学性能和热学性能，综合性能优异，应用范围广泛。同时，金属基体材料选用镁、铝、钛等轻质金属材料，获得的复合材料具有轻质的特点。本专利技术中采用Mn3(MnxZnySnz)N负膨胀材料具有制备工艺简单，负膨胀系数大，负膨胀性能易于调节等优点，适用于制备近零膨胀温度区间可调节的复合材料。本专利技术制备工艺简单，可操作性强、复合材料的致密度高。由本专利技术制备金属基复合材料，该材料具有一定范围的近零膨胀系数，导热导电性能良好，力学性能好。可以在航空航天、电子元件、光学元件和光纤通信等领域具有广阔的应用前景。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一优选实施例的近零膨胀金属基复合材料的制备流程图；图2为本专利技术一优选实施例的增强体体积分数为40％的近零膨胀金属基复合材料的热膨胀曲线图；图3为本专利技术一优选实施例中负膨胀材料与金属基体粉末按照不同体积比混合的两种金属基复合材料的热膨胀曲线图；图4a为本专利技术一优选实施例的近零膨胀金属基复合材料的金相图；图4b为本专利技术一优选实施例的近零膨胀金属基复合材料的金相图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1参照图1所示，为本专利技术一实施例轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法流程图，图中包括以下步骤：负膨胀材料Mn3(Mn0.1Zn0.5Sn0.4)N粉末的制备：将块状负膨胀材料Mn3(Mn0.1Zn0.5Sn0.4)N用真空球磨机研磨，筛得75-150μm的粉末，备用。将制备的负膨胀材料Mn3(Mn0.1Zn0.5Sn0.4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法，其特征在于：包括：/n以负膨胀材料粉体和金属基体粉末为原料，将两者混合后得到混合粉末；/n再将所述混合粉末放入模具中真空热压烧结，烧结温度为300-600℃，烧结压力为300-500MPa，保压时间5-30min，得到所述近零膨胀金属基复合材料；其中：/n所述负膨胀材料选用Mn

【技术特征摘要】
1.一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法，其特征在于：包括：
以负膨胀材料粉体和金属基体粉末为原料，将两者混合后得到混合粉末；
再将所述混合粉末放入模具中真空热压烧结，烧结温度为300-600℃，烧结压力为300-500MPa，保压时间5-30min，得到所述近零膨胀金属基复合材料；其中：
所述负膨胀材料选用Mn3(MnxZnySnz)N，其中，x+y+z＝1；
所述金属基体选用铝、镁或钛中任一种。


2.根据权利要求1所述的一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述以负膨胀材料粉体和金属基体粉末为原料，将两者混合后得到混合粉末，其中：混粉时间为5-30小时，转速为10-120r/min。


3.根据权利要求1所述的一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述模具为不锈钢模具。

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【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳求保，崔铎，曹贺，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31