跨尺度核壳结构铝基复材及制备方法技术

本发明专利技术涉及复合材料的技术领域，特别地，涉及一种跨尺度核壳结构铝基复材及制备方法。该方法中，首先纳米陶瓷颗粒的预分散，采用高速球磨法将预分散的粉末镶嵌在微米硬质陶瓷颗粒表面，以形成壳层结构；然后，将具有壳层结构的增强体粉体基元与铝合金基体粉末混合球磨均匀混合，以形成混杂增强复合合金粉，最后将混杂增强复合合金粉采用热压工艺处理获得跨尺度核壳结构铝基复材；本发明专利技术设计的跨尺度核壳结构，解决了现有技术存在的塑性匹配度低、复杂应力的传递效率低、制备过程增强体团聚的问题，平衡了提高材料的强度和维持材料的塑性之间的矛盾。塑性之间的矛盾。塑性之间的矛盾。

【技术实现步骤摘要】
跨尺度核壳结构铝基复材及制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料的
，特别地，涉及一种跨尺度核壳结构铝基复材及制备方法。

技术介绍

[0002]铝基复合材料具有轻质、高模量、高比强度的特点，适合飞机轻量化发展的应用需求。颗粒增强铝基复材制备技术容易掌握，生产成本低，具有各向同性的力学性能，具有明确的应用市场和广阔的应用前景。
[0003]在目前颗粒增强铝基复合材料中，主要问题是材料的塑性难以满足塑性加工的需求，且复合材料的断裂韧性不能达标，导致后续加工工艺窗口窄、加工难度大、易产生微裂纹等缺陷，颗粒增强铝基复合材料从开发到实际应用仍存在较大的差距。此外，对复合材料的多尺度结构调控和人工设计的研究较少，未能充分发挥韧性基体和陶瓷增强体两者优势。颗粒增强铝基复材的三大组成要素分别是陶瓷颗粒、铝及铝合金基体、二者界面。由于增强体和基体热膨胀系数的差异，在二者的界面处存在高应力集中，导致界面常为破坏的关键部位。在复合材料中添加纳米颗粒增强体，在起到纳米增韧效果的同时，会降低基体的本征塑性。且当纳米颗粒增强铝基复材增强体的含量超过5vol.％时，纳米增强体难以分散均匀，会产生较严重的增强体团聚的现象。
[0004]作为未来航空航天、汽车领域的主要结构件，必须进一步协调颗粒增强铝基复材的强塑性匹配，复合材料具有较大的人工设计自由度，可以通过设计增强体结构来强化增强体/基体界面，有效提高复杂应力的传递效率，目前亟需要设计一种强塑性匹配合理，具有较好综合力学性能的新型颗粒增强铝基复合材料。
专利技术内容
[0005]本专利技术的目的为提供一种跨尺度核壳结构铝基复材及制备方法，以解决现有技术颗粒增强铝基复合材料中塑性匹配度低、复杂应力的传递效率低、制备过程增强体团聚的问题。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供的一种跨尺度核壳结构铝基复材的制备方法包括：
[0007]S1：纳米陶瓷颗粒的预分散：将纳米级SiC颗粒以及百纳米尺寸级别Al粉进行预分散；
[0008]S2：壳层结构的包覆：采用高速球磨法将S1中预分散的粉末镶嵌在微米硬质陶瓷颗粒表面，以形成壳层结构；
[0009]S3：低速球磨混合：将具有壳层结构的增强体粉体基元与铝合金基体粉末混合球磨均匀混合，以形成混杂增强复合合金粉；
[0010]S4：热压烧结工艺，将混杂增强复合合金粉经热压烧结工艺处理，以获得跨尺度核壳结构铝基复材。
[0011]其中，S1中，采用小行星式球磨机，以转速为200
‑
320r/min，球磨时间为2
‑
4小时，
使纳米硬质SiC颗粒去团聚，与柔性Al粉均匀混合。
[0012]其中，S2中，采用600
‑
1200r/min的转速进行高速球磨，球磨环境为无水乙醇液态环境，球磨时间为30min，将混合后的粉体浆料置于干燥箱中，在80℃温度下烘干8h得到具有壳层结构的增强体粉体基元。
[0013]其中，S3中，在具备壳层结构的增强体粉末基元中加入70μm
‑
100μm2009Al合金粉以250
‑
300r/min的转速混合3
‑
5h，取出后放入真空干燥箱中以80℃烘干后，得到试验用混杂增强复合合金粉，储存于真空罐中，用于热压烧结。
[0014]其中，S4中，将球磨后S3中的混杂增强复合合金粉在氩气保护下装入设定尺寸的石墨模具中密封，再将密封后的模具进行冷压成型，最后将冷压后的模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结。
[0015]其中，热压烧结过程中，以10℃/min的升温速率升温到400℃，并保温20
‑
40min，期间稳定压力一直保持3
‑
5MPa；再以5
‑
7℃/min的升温速率升温到600
‑
650℃，同时压力匀速增大到50
‑
120MPa；保温保压30min后，开始卸压降温，待炉冷至室温后，取出试样，完成热压烧结。
[0016]其中，小行星式球磨机中采用大、中、小尺寸配合的氧化锆磨球。
[0017]本专利技术另一方面提供的跨尺度核壳结构铝基复材包括：微米硬质陶瓷颗粒、壳层结构及粗晶晶粒区，所述壳层结构包覆在所述微米硬质陶瓷颗粒外，所述粗晶晶粒区包覆在所述壳层结构外，所述壳层结构为纳米SiC颗粒和超细晶纯Al粉形成的复合界面微区，所述粗晶晶粒区为粗晶铝合金基体。
[0018]其中，所述纳米级SiC颗粒选用3.5vol.％
‑
5.5vol.％。
[0019]其中，所述超细晶纯Al粉选用4.5vol.％
‑
5.5vol.％百纳米尺寸级别Al粉。
[0020]本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术的跨尺度核壳结构铝基复材及制备方法，首先纳米陶瓷颗粒的预分散，采用高速球磨法将预分散的粉末镶嵌在微米硬质陶瓷颗粒表面，以形成壳层结构；然后，将具有壳层结构的增强体粉体基元与铝合金基体粉末混合球磨均匀混合，以形成混杂增强复合合金粉，最后将混杂增强复合合金粉采用热压工艺处理获得跨尺度核壳结构铝基复材；获得的跨尺度核壳结构铝基复材中，微米硬质陶瓷颗粒外包覆壳层结构，壳层结构外为粗晶铝合金基体，粗晶铝合金基体有较强的位错存储能力，在变形中提供塑性，在外部复杂应力场中不作为受力的载体；壳层结构核心为微米级SiC脆性陶瓷颗粒相，作为承担力的载体，有较强的刚度、硬度和强度；壳结构为纳米SiC颗粒和超细晶纯Al，壳层结构的作用在于缓解界面压力，分散应力集中，保护硬质核心，壳结构组元纳米SiC颗粒和超细晶Al粉可以提高应变硬化率，可以避免制备过程中的基体硬化而导致的后期热变形加工中变形不稳定的现象，解决了现有技术存在的塑性匹配度低、复杂应力的传递效率低、制备过程增强体团聚的问题。
[0022]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。
附图说明
[0023]构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实
施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0024]图1是本专利技术跨尺度核壳结构铝基复材的制备方法的流程图；
[0025]图2是本专利技术跨尺度核壳结构铝基复材制备方法中预分散后壳层结构显微组织形貌；
[0026]图3是本专利技术跨尺度核壳结构铝基复材制备方法中铝基复材核壳结构增强体粉体基元形貌图；
[0027]图4是本专利技术跨尺度核壳结构铝基复材制备方法中烧结后壳层结构增强铝基复材显微组织形貌图。；
[0028]图5是现有技术中颗粒增强铝基复合材料与本专利技术跨尺度核壳结构铝基复材结构对比图。
具体实施方式
[0029]以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨尺度核壳结构铝基复材的制备方法，其特征在于，包括：S1：纳米陶瓷颗粒的预分散：将纳米级SiC颗粒以及百纳米尺寸级别Al粉进行预分散；S2：壳层结构的包覆：采用高速球磨法将S1中预分散的粉末镶嵌在微米硬质陶瓷颗粒表面，以形成壳层结构；S3：低速球磨混合：将具有壳层结构的增强体粉体基元与铝合金基体粉末混合球磨均匀混合，以形成混杂增强复合合金粉；S4：热压烧结工艺，将混杂增强复合合金粉经热压烧结工艺处理，以获得跨尺度核壳结构铝基复材。2.根据权利要求1的一种跨尺度核壳结构铝基复材的制备方法，其特征在于：S1中，采用小行星式球磨机，以转速为200
‑
320r/min，球磨时间为2
‑
4小时，使纳米硬质SiC颗粒去团聚，与柔性Al粉均匀混合。3.根据权利要求1的一种跨尺度核壳结构铝基复材的制备方法，其特征在于：S2中，采用600
‑
1200r/min的转速进行高速球磨，球磨环境为无水乙醇液态环境，球磨时间为30min，将混合后的粉体浆料置于干燥箱中，在80℃温度下烘干8h得到具有壳层结构的增强体粉体基元。4.根据权利要求1的一种跨尺度核壳结构铝基复材的制备方法，其特征在于：S3中，在具备壳层结构的增强体粉末基元中加入70μm
‑
100μm2009Al合金粉以250
‑
300r/min的转速混合3
‑
5h，取出后放入真空干燥箱中以80℃烘干后，得到试验用混杂增强复合合金粉，储存于真空罐中，用于热压烧结。5.根据权利要求1的一种跨尺度核壳结构铝基复材的制备方法，其特征在于：S...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾元松，刘雅菲，徐严谨，许慧，韩秀全，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：