一种低温催化制备铝基原位复合材料的方法技术

本发明专利技术提供一种低温催化制备铝基复合材料的方法，属材料制备技术领域。该方法是在制备复合材料用反应盐中加入催化剂，能在低于常规合成温度条件下完成反应盐和铝熔体间的原位反应，并能加速反应速率，缩短反应时间，并确保复合材料的组织特征不变，包括颗粒种类、尺寸和分布，适于工业规模制备铝基复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属基复合材料的制备
，通过在反应混合盐中配入催化剂， 目的在于实现铝基复合材料的低温催化制备。
技术介绍
铝基复合材料集中了铝基体和增强相的优点，具有高的比强度、比刚度、高耐磨等 优良性质，是新材料研发中的重要组成部分。从颗粒引入方法看，有外加和内生两种，内生 颗粒具有界面清洁、颗粒尺寸小等优点，相应地衍生了诸多原位内生方法。这其中，熔体直 接反应法是将含有颗粒元素的反应盐粉末在合成温度下加到铝/铝合金熔体中，使之充分 反应，在熔体中制备内生颗粒，可直接浇注形状复杂的铸件。因而具有工艺简单、成本低、周 期短，易于工业化生产等优点，被业内人士一致认为是有希望实现工业化应用的新技术。从现有文献报道看，在金属基复合材料研究领域，研究热点主要集中在以下几方1、研发新型复合体系，比如Al-0、Al-Ti-C、Al-Ti/&-B、Al-Ti/&等，目前主要的 增强相颗粒包括金属间化合物、氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等；2、根据体系特点优化制备工艺，一般包括反应温度、反应时间、反应物种类和适宜添加量等；3、通过多种途径优化反应条件，包括使用外加物理场，比如超声场、电磁场或声磁 耦合场。但是，从工业规模应用前景看，要推进复合材料在工业制备，需要克服并解决以下 几个关键“瓶颈”难题1、要求铝液有较高温度。反应盐要和铝液发生反应，并生成热力学稳定的强化相， 需要较高的反应温度。从目前文献报道看，一般都要求铝液过热100-15(TC，即初始熔体温 度要求在800-100(TC。因为铝在高温时会吸气并产生夹杂，并随温度升高吸气加重，铝液质 量严重恶化。同时在高过热条件下，颗粒长大驱动力大，部分颗粒容易长成大尺寸夹杂相。 所以如果能在较低温度条件下制备铝基复合材料，则会推进复合材料工业应用进程；2、要求较长的反应时间。固态反应盐和铝液间要完成原位反应，需要较长的时间 实现固相和液相之间的接触、传质和反应。时间范围一般在25-50min，制备周期长，而且铝 液在高温下滞留时间长，加大了吸气和烧损。如果能在较短时间内制备复合材料，则会推进 复合材料工业应用进程。3、文献检索表明，与该技术相关的专利技术专利有国家专利技术专利200810134310.4， 提出通过多元熔剂组合法来降低金属基复合材料合成温度，是将一种或多种低熔点物质作 为助熔剂配入混合盐中，使反应盐在原位反应温度下熔化呈液态，液_液相反应的效率高 于固_液相反应，液_液相发生反应的温度也低于同类反应盐以固_液相状态发生反应的 温度，即可以使原位反应温度降低。其不足之处有加入的氟盐助熔成分会进一步加深氟盐 对人体和环境的危害，而且加入的氟盐会和反应盐发生部分反应，导致部分反应盐失效，影响颗粒收得率；二者，对于某些高熔点反应盐，比如某些碳酸盐类，加入的助熔剂并不能使 其在反应温度条件下从固态转变成液态，降低反应温度的效果不明显。本专利技术与其不同之 处在于在混合盐中配入石墨类或尖晶石类催化剂，不会污染环境，同时对反应盐种类和熔 点高低没有限制，加入催化剂后降低合成温度的机制和依据是催化理论，即有效降低反应 物分子活化能，提高反应效率、缩短合成时间。综上所述，本专利技术将化学领域中常用的催化技术应用到金属材料制备领域，用于 实现金属基复合材料的低温催化制备，使原位合成过程具有短时、高效的特征，满足现代工 业的“节能、高效”要求，有助于推动高性能金属基复合材料的工业制备进程。
技术实现思路
本专利技术的内容是提供多种类型催化剂，将一定种类、一定量的催化剂掺入到反应 盐中，确保二者均勻混合，能起到降低反应温度、提高反应速率、缩短反应时间的作用，是一 种低耗、高效制备高性能金属基复合材料的新方法本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的第一步原料的准备。准备反应盐，控制其预热温度在200-250°C、粒度在200目，以及按照反应方程式 计算配加比例，在配制好的反应盐中加入催化剂，所述催化剂为碳纳米管、人造石墨、铝镁 尖晶石或天然石墨，催化剂加入量占反应盐总量的比例为l_5wt. %,；充分研磨混合后得 到混合盐粉体，备用；铝或铝合金锭在熔铝炉中熔化，温度较常规合成温度低40-80°C。第二步合成复合材料。用钟罩将预热过的混合盐粉体加入高温熔体中，充分搅拌，确保粉体与熔体有充 分接触。一定反应时间后，完成原位反应，此时清除表层少量浮渣。精炼后浇注，随模冷却。上述催化剂的加入量因催化剂效果和反应体系不同而调整。催化效果好或者反应 体系原始合成温度(不加催化剂时的合成温度)低时配入量取下限，如l_2wt. %;催化效果 差或者反应体系原始合成温度高时取上限；如4-5wt. % ；催化效果好，但原始合成温度高， 亦或，催化效果差，但原始合成温度低下时取中间值，如3wt. %。上述催化剂的按使用效果 优劣排序依次为碳纳米管、人造石墨、铝镁尖晶石、天然石墨。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和效果1、能在较低温度下制备颗粒增强铝基复合材料，熔炼合成需要的温度低，铝过热 小，适于工业制备；2、催化剂能增加反应速率，缩短反应时间，有助于提高生产效率，适于工业制备；3、催化剂用量少，成本低，适于工业制备；4、使用催化剂后，能在低温短时内制备复合材料，材料的组织特征不会受到影响， 具有高的性价比，对金属基复合材料的工业推广应用有重要价值。附图说明图IK2TiF6-KBF4组元制备复合材料的扫描电镜图，图中颗粒相是TiB2图2掺杂碳纳米管后K2TiF6-KBF4组元制备复合材料的扫描电镜图，图中颗粒相是 TiB2图3K2&F6-KBF4组元制备复合材料的扫描电镜图，图中颗粒相是&B2图4掺杂人造石墨后KJrF6-KBF4组元制备复合材料的扫描电镜图，图中颗粒相是 ZrB2图5掺杂尖晶石后KJrF6-KBF4组元制备复合材料的扫描电镜图，图中颗粒相是 ZrB2图6Zr(C03)2组元制备复合材料的扫描电镜图，图中颗粒相是Al2O3图7掺杂天然石墨后&(CO3)2组元制备复合材料的扫描电镜图，图中颗粒相是 Al2O具体实施例方式以下结合实施例对本专利技术作进一步的阐述。实施例仅用于说明本专利技术，而不是以 任何方式来限制本专利技术。实施例一 =TiB2颗粒增强铝基复合材料的碳纳米管低温催化制备以氟钛酸钾K2TiF6和氟硼酸钾KBF4作为反应盐，通过混合盐反应法制备TiB2颗粒 增强铝基复合材料。用钟罩将预热过的混合盐粉体分批加入高温熔体中，充分搅拌，确保粉 体与熔体有充分接触。没有加入催化剂时，优化的合成温度为870-900°C，适宜反应时间为 25-30min，制备的复合材料组织如图1所示。在混合盐中掺入盐质量1. 2wt. %的碳纳米管。则原位反应可以在820_830°C间完 成，反应时间可以缩短到10-15min，制备的复合材料组织如图2所示，与图1组织没有明显差异。结果显示混合盐中掺杂一定量催化剂后，能降低反应温度40-80°C，反应时间缩 短10-20min，而且不影响复合材料组织特征。实施例二 &B2颗粒增强铝基复合材料的人造石墨低温催化制备以氟锆酸钾KJrF6和氟硼酸钾KBF4作为反应盐，通过混合盐反应法制备&B2颗粒 增强铝基复合材料。用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温催化制备铝基原位复合材料的方法，其特征是：在反应盐中配入催化剂，在低于常规合成温度条件下完成反应盐与铝熔体间的原位反应，达到制备颗粒增强铝基复合材料的实验目的，所述催化剂为碳纳米管、人造石墨、铝镁尖晶石、天然石墨，所述催化剂的加入量占反应盐总量的比例为：１－５ｗｔ％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李桂荣，王宏明，赵玉涛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]