一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料制造技术

本发明专利技术提供了一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料，该发明专利技术预先制备具有择优取向的微纳铝片基元，与片状陶瓷基元均匀混合，在致密化的过程中，二者片状基元在重力和外力的双重作用下以砖砌的方式交互堆叠，经过进一步加工变形可得到一种类砖砌式仿生陶瓷增强铝基复合材料。其中，铝片与陶瓷片的厚度只有数百纳米，从结构与尺度上均有效的模仿了珍珠层结构。这种类砖砌式仿生复合材料的基体呈现超细晶层状结构，而且片状陶瓷片也能够有效的阻碍裂纹的扩展，从而在充分发挥超细晶强化和裂纹的偏转的双重机制情况下保持高强塑性匹配。本发明专利技术制备出的陶瓷增强铝基复合材料成本低，适用范围广，并且具有较高的综合力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料
本专利技术涉及金属基复合材料领域，具体地，涉及一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料。
技术介绍
自然界许多生物材料经过长期的演化，其结构与性能已达到了近乎完美的程度，如多级层板结构的骨头、梯度层状结构的竹子、以及叠层结构的贝壳珍珠层。目前为止，贝壳的珍珠层是目前最热的结构仿生对象，这是由于它以碳酸钙(～95vol.％)纳米薄片(厚～500nm)为“砖”，以有机质(～5vol.％，厚～30nm)为“泥”，自组装而成的“砖-泥”叠层结构，不但没有牺牲贝壳整体的强度，还在塑韧性方面得到了巨大的提升，得到了非常优异的强度和塑韧性的综合性能。因此贝壳珍珠母层成为了国内外众多仿生与实现材料强韧化研究者的研究模板，使复合材料向着更加优异综合性能的方向发展。这种理念很快在各种陶瓷基复合材料和树脂基复合材料中得到了验证和应用，然而金属基复合材料因为缺乏合适的制备的技术，即使因为强度和塑韧性不匹配的原因急需利用仿贝壳的叠层结构优化来实现各种现实情况中的应用，但是发展仍很受限，相关的研究也十分有限。国内外也初步发展了几种仿贝壳珍珠层金属基复合材料的制备方法，其中主要包括：加州大学Ritchie小组(“Anovelbiomimeticapproachtothedesignofhigh-performanceceramic–metalcomposites”Journaloftheroyalsocietyinterface,7(2010)741-753)采用“冰冻铸造法”，利用陶瓷浆料的定向凝固制备Al2O3层状骨架，然后再向其中浸渗Al-Si共晶合金获得了包含层间无机桥联的Al2O3/Al-Si叠层复合材料。然而，从贝壳的内部结构中观察到纳米晶/超细晶(如珍珠母中矿物质层间距～500nm)是强韧化特征的重要因素。而冰冻铸造法所制备的复合材料中层厚最低降到10微米以上，但仍然比珍珠层的真实厚度高出几十倍，并未得到最优的强韧性匹配。对现有的文献及专利技术检索发现，还没有类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料的研究。此外，在文献[“Bioinspired,graphene-enabledNicompositeswithhighstrengthandtoughness”scienceadvances,5(2019)eaav5577]中，Zhang等人通过原位反应与后期的热变形方式获得一种类“砖-灰”结构的镍基复合材料，它的综合力学性能得到大大地提高。然而，它的工艺复杂，周期长，通过原位反应获得砖状增强体的含量具有很大的不确定性。通过对现有专利文献的检索发现，CN201710570994公开了一种高体份陶瓷-金属层状复合材料及其制备方法，其涉及的制备方法仍属于前述的冰冻铸造法，其层状厚度仍大于5μm，尽管它从结构上模拟了贝壳的砖-灰状结构，但是实际并未达到贝壳珍珠层的尺度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料，将陶瓷增强体与基体分别以类似于“砖”结构为基元交互堆叠，不仅从“砖-灰”状的结构上，而且从尺度(<500nm)上有效地模仿了贝壳珍珠层结构，其综合力学性能较常规陶瓷增强铝基复合材料显著提高。本专利技术的制备方法省时节能，在降低制备成本的同时改善复合材料的综合力学性能，具有巨大的规模化应用潜力。为实现以上目的，本专利技术通过一定时间的球磨预先制备具有择优取向的微纳铝片基元，和片状陶瓷基元混合后经致密化和烧结可形成类砖砌式仿生结构锭坯，其中铝片与陶瓷片的厚度只有数百纳米，从结构与尺度上均有效的模仿了珍珠层结构，经进一步变形加工后可得到类砖砌式仿生复合陶瓷增强铝基复合材料。这种类砖砌式仿生复合材料的基体呈现超细晶层状结构，有利于晶粒内部的位错运动，而且片状陶瓷片也能够有效的阻碍裂纹的扩展，从而在充分发挥超细晶强化和裂纹的偏转的双重机制情况下保持高强塑性匹配。具体的，本专利技术所述类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料的方法包括以下步骤：(1)微纳铝片基元的制备：对球形的铝粉进行球磨，得到具有择优取向的微纳片状铝粉；(2)采用滚筒混粉方式将微纳铝片基元与片状陶瓷增强体基元均匀混合；(3)进行致密化处理，得到类砖砌式仿生复合粉末锭坯；(4)将所述粉末锭坯进行烧结，热变形加工，获得类砖砌式仿生复合陶瓷增强铝基复合材料。作为本专利技术的一个实施方案，所述球磨采用的参数为：钢球与铝粉的质量比为10:1～30:1，转速为50～400转/分钟，时间为2～10h。作为本专利技术的一个实施方案，所述微纳铝片基元的厚度介于0.2～0.5μm之间，片径在5～50μm之间。作为本专利技术的一个实施方案，所述片状陶瓷增强体基元的厚度为0.2～0.5μm，直径5-30μm。本专利技术的体系中，使用500nm以下以及前述径厚比的微纳铝片基元和片状陶瓷增强体基元，可以实现形状匹配，基本上都可以平行排列。其中径厚比为直径和厚度的比较。在本专利技术中，微纳铝片基元和片状陶瓷增强体基元的径厚比都在10以上，交互堆叠良好。如果径厚比较小，则实现不了交互堆叠，而是随机排布的。作为本专利技术的一个实施方案，所述滚筒混粉方式中，玛瑙球与粉末的质量比为2:1～20:1，转速：5～100转/分钟。步骤(2)中，在滚筒混粉中，玛瑙球的加入的剪切力可以使团聚的粉末打开，但是这个剪切力需要足够低而不损坏粉末形态；因而最终选用玛瑙球与粉末的质量比为2:1～20:1，转速：5～100转/分钟。对于其他混粉方式，比如单纯的两种粉末混合，仅仅搅拌是不能够使两种粉末均匀的分散。作为本专利技术的一个实施方案，所述复合材料中片状陶瓷增强体的体积分数为1-30vol.％。在本专利技术的体系中，体积分数过高会引起明显的团聚。作为本专利技术的一个实施方案，所述致密化处理采用冷压工艺，其中冷压温度为20～200℃，压力为300～500MPa。在本专利技术的体系中，通过冷压先使得粉末成型；其中压力过大会使模具承受不住，压力过低致密度不行；因而选用压力为300～500MPa。作为本专利技术的一个实施示例，进一步选用冷压温度为100～200℃。作为本专利技术的一个实施方案，烧结过程为真空热压烧结、气氛烧结、放电离子束烧结、热等静压烧结；且烧结温度为500～660℃。烧结温度过高，铝可能熔化，使烧结失败；烧结温度过低，粉末之间不能形成有效的界面结合。作为本专利技术的一个实施方案，所述热变形加工包括热锻、热轧、热挤压中的一种或多种。其中热变形加工温度为400～550℃。本专利技术还涉及一种前述的方法制备得到的类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料。本专利技术所述的类砖砌式仿生复合制备工艺所采用的微纳片状粉末之间的形状匹配性，且铝片与陶瓷片之间以砖砌的方式交互堆叠，有助于陶瓷增强体在基体中间均匀分散；同时，片状铝粉中存储的缺陷和能量少，在后续致密化、烧结和热变形加工中易于保持组织和性能稳定。相比之下，传统的陶瓷增强金属复合材料由于陶瓷增强体在强化基体的同时不可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n(1)微纳铝片基元的制备：对球形的铝粉进行球磨，得到具有择优取向的微纳片状铝粉；/n(2)采用滚筒混粉方式将微纳铝片基元与片状陶瓷增强体基元均匀混合；/n(3)进行致密化处理，得到类砖砌式仿生复合粉末锭坯；/n(4)将所述粉末锭坯进行烧结，热变形加工，获得类砖砌式仿生复合陶瓷增强铝基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)微纳铝片基元的制备：对球形的铝粉进行球磨，得到具有择优取向的微纳片状铝粉；
(2)采用滚筒混粉方式将微纳铝片基元与片状陶瓷增强体基元均匀混合；
(3)进行致密化处理，得到类砖砌式仿生复合粉末锭坯；
(4)将所述粉末锭坯进行烧结，热变形加工，获得类砖砌式仿生复合陶瓷增强铝基复合材料。


2.根据权利要求1所述的类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料的方法，其特征在于，所述球磨采用的参数为：钢球与铝粉的质量比为10:1～30:1，转速为50～400转/分钟，时间为2～10h。


3.根据权利要求1所述的类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料的方法，其特征在于，所述微纳铝片基元的厚度介于0.2～0.5μm之间，片径在5～50μm之间。


4.根据权利要求1所述的类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料的方法，其特征在于，所述片状陶瓷增强体基元的厚度为0.2～0.5μm，直径5-30μm。


5.根据权利要求1所述的类砖砌式仿生复合制备陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：范根莲，张志明，李志强，谭占秋，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31