硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料，按照质量百分比由以下组分组成：铝粉85～98.9wt.％，硅粉1～13wt.％，CNTs0.1～2wt.％，以上各组分的质量分数之和为100％，所制备的复合材料微观组织整体呈均匀结构。本发明专利技术还公开了上述复合材料的制备方法，其具有成型温度低、制备可控性高的特点，采用短时分步球磨保证了增强相在铝基体中的分散均匀性，减小了对CNTs结构的破坏；采用低温快速成型与热处理工艺的结合，避免了不利界面反应的发生，促进了细小共晶硅的形成及其在Al

【技术实现步骤摘要】
硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料及制备方法


[0001]本专利技术属于铝基复合材料领域，涉及一种硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料，还涉及上述材料的制备方法。

技术介绍

[0002]碳纳米管(CNTs)增强铝基复合材料(AMCs)因具有轻质、高比强度及良好的导电导热等特性，在快速发展的航空航天、轨道交通以及电子封装等领域展现出广阔的应用前景。然而，常温下Al
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CNTs之间不润湿，本征界面结合弱，难以起到有效的载荷传递作用。在高温条件下制备时两者存在较强的反应趋势，Al
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CNTs反应主要依赖于碳原子在铝中的扩散，随着制备温度的升高，Al
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CNTs反应则会逐渐加剧，甚至CNTs被完全消耗生成易水解的Al4C3硬脆相。虽然Al4C3反应层在一定程度上能够提高Al
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CNTs的界面结合强度，促进载荷传递效率，但是碳在铝中较快的扩散速率使得该界面反应不易控制，其对复合材料的结构稳定性与强韧性适配存在潜在不利影响。
[0003]研究表明，金属基体中的固溶原子对第二相原子的扩散具有拖拽等阻碍作用，会显著降低第二相在基体中的扩散速率，通过铝硅二元相图可知，共晶温度下硅在铝中的固溶度可达1.5at.％，因此如果能够有效利用这一作用，通过在Al
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CNTs复合体系中引入适量的硅元素，通过其在高温成型条件下对碳原子在铝基体中的扩散过程进行限制，降低碳原子的扩散速率，则有望实现对依赖于碳原子扩散控制的Al
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CNTs化学反应的调控，避免Al4C3硬脆相的生成。然而，采用传统熔铸法制备铝硅基复合材料时往往会因成型温度过高而导致材料中的AlSi共晶组织粗大，粗大的共晶组织容易产生应力集中而引起材料开裂，严重影响复合材料的力学性能。
[0004]针对上述问题，本专利技术合理设计Al
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Si
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CNTs复合体系合金成分，并提出一种新的铝基复合材料的制备方法，以实现Al
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Si
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CNTs复合材料的致密化制备和微观组织调控。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料。该复合材料的致密度高、组织细小可调控，界面结合良好，克服了现有技术中Al
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CNTs界面反应不易控制的问题。
[0006]本专利技术的第二个目的是提供上述复合材料的制备方法，该方法克服了现有制备方法制备复合材料时因成型温度过高而导致界面反应严重和合金相组织粗大，容易产生应力集中而引起界面开裂，严重影响复合材料的力学性能的问题。
[0007]本专利技术所采用的第一个技术方案是，一种硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料，按照质量百分比由以下组分组成：铝粉85～98.9wt.％，硅粉1～13wt.％，CNTs0.1～2wt.％，以上各组分的质量分数之和为100％；铝粉粒径为10～45μm，硅粉颗粒粒径为0.5～5μm，CNTs的直径为50～150nm，长度为10～20μm。
[0008]本专利技术所采用的第二个技术方案是，上述复合材料的制备方法，具体制备步骤如
下：
[0009]步骤1、按照质量百分比称取以下组分：铝粉85～98.9wt.％，硅粉1～13wt.％，CNTs0.1～2wt.％，以上各组分的质量分数之和为100％；铝粉粒径为10～45μm，硅粉颗粒粒径为0.5～5μm，CNTs的直径为50～150nm，长度为10～20μm；
[0010]步骤2、将铝粉与硅粉置于球磨罐中，加入硬脂酸，在惰性气体氛围下采用高能行星球磨进行预合金化和片化，得到Al
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Si复合粉末，接着加入CNTs与无水乙醇，在惰性气体氛围下采用短时行星球磨混合均匀，得到Al
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Si
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CNTs复合粉末；
[0011]步骤3、将Al
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Si
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CNTs复合粉末装入石墨模具中预压排气后，采用放电等离子烧结炉烧结成型，得到Al
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Si
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CNTs复合材料块体试样；
[0012]步骤4、将Al
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Si
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CNTs复合材料块体试样置于热处理炉中，在真空环境或惰性气体氛围下进行低温热处理；接着在惰性气体氛围下预热后进行二次变形加工，即得到硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料成品。
[0013]步骤2中高能行星球磨过程中惰性气体为氩气，充气时间为3～5min，净球磨时间为6～12h，球磨过程中每球磨10min间歇10min，球磨转速为200～400r/min，磨球为氧化锆，球料比为10～20:1。
[0014]步骤2中短时行星球磨过程中惰性气体为氩气，充气时间为3～5min，净球磨时间为2～6h，球磨过程中每球磨10min间歇10min，球磨转速为150～250r/min，磨球为氧化锆，球料比为5～10:1。
[0015]步骤3中烧结过程采用两步保温法，先在500～520℃下保温0.5～1h，随后升温至550～600℃，保温0.5～1h，烧结压力为30～40MPa。
[0016]步骤4中低温热处理步骤如下：先将Al
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Si
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CNTs复合材料块体试样于500～550℃下保温2～10h，随后进行水淬，接着于100～200℃进行时效热处理10～30h。
[0017]步骤4中二次变形加工采用热挤压、热轧或拉拔工艺进行，预热温度为350～400℃。
[0018]步骤2中硬脂酸的添加量为铝粉质量的1～2wt.％；步骤2中无水乙醇的添加量为铝粉、硅粉与CNTs总质量的1～5wt.％。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]本专利技术制备的硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料具有以下优势：(1)适量硅元素的加入可以降低碳原子在基体中的溶解度并提升其扩散势垒，减小碳原子在铝基体中的扩散速率，提高Al
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CNTs复合体系的混合能(即碳原子在铝中扩散形成固溶体的能量与非均匀相混合物的能量差值)，从而抑制Al
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CNTs之间不利的界面反应；(2)Al
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CNTs界面的润湿性通过硅元素在基体中的固溶及界面析出而得到显著提升；(3)Al
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CNTs界面析出分布的细小硅颗粒通过钉扎作用进一步加强了Al
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CNTs间的界面结合，实现了对铝基复合材料的协同强化效果；
[0021]本专利技术硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料的制备方法具有以下优势：(1)本专利技术的制备方法具有成型温度低、复合材料组织可控性高的特点；(2)本专利技术制备方法利用短时分步高能球磨混合，对Al
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Si复合粉末的预合金化和片化，可提升铝基体对增强相的承载率；随后将其与CNTs进行短时球磨混匀混合，即保证了增强相在铝基体中的分散均匀性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料，其特征在于，按照质量百分比由以下组分组成：铝粉85～98.9wt.％，硅粉1～13wt.％，CNTs0.1～2wt.％，以上各组分的质量分数之和为100％；所述铝粉粒径为10～45μm，硅粉颗粒粒径为0.5～5μm，CNTs的直径为50～150nm，长度为10～20μm。2.一种硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：步骤1、按照质量百分比称取以下组分：铝粉85～98.9wt.％，硅粉1～13wt.％，CNTs0.1～2wt.％，以上各组分的质量分数之和为100％；所述铝粉粒径为10～45μm，硅粉颗粒粒径为0.5～5μm，CNTs的直径为50～150nm，长度为10～20μm；步骤2、将铝粉与硅粉置于球磨罐中，加入硬脂酸，在惰性气体氛围下采用高能行星球磨进行预合金化和片化，得到Al
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Si复合粉末，接着加入CNTs与无水乙醇，在惰性气体氛围下采用短时行星球磨混合均匀，得到Al
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Si
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CNTs复合粉末；步骤3、将Al
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Si
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CNTs复合粉末装入石墨模具中预压排气后，采用放电等离子烧结炉烧结成型，得到Al
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Si
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CNTs复合材料块体试样；步骤4、将Al
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Si
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CNTs复合材料块体试样置于热处理炉中，在真空环境或惰性气体氛围下进行低温热处理；接着在惰性气体氛围下预热后进行二次变形加工，即得到硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料成品。3.根据权利要求2所述的一种硅元素调控的CNTs增强铝基复合材料的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫，李鑫，李树丰，李波，刘磊，李少龙，王军，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：