[发明专利]高能超声与脉冲电场下合成颗粒增强铝基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒增强金属基复合材料的制备技术领域，特别涉及到一种高能超声与脉冲电场下合成颗粒增强铝基复合材料的方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料由于具有复合的结构特征而兼备良好的力学性能和理化性能，在先进的电工电子器件、航空航天器、机械、桥梁隧道工程等领域具有广阔的应用前景，已成为近年来铝基复合材料的研究热点之一；目前，熔体直接反应合成是制备颗粒增强铝基复合材料的主要方法，该方法的原理是在铝基体熔液中加入能生成第二相的合金元素或化合物，在一定温度下与金属熔液发生原位反应生成颗粒相而制得内生颗粒增强复合材料；该方法制备复合材料由于颗粒相原位生成，其与基体金属结合界面干净，润湿性好，结合强度高。

目前，熔体反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料存在的主要问题是反应过程难控制，表现在反应速度和效率难以提高，生成的颗粒增强相易团聚长大，严重影响材料的工业规模生产和应用。

利用外场作用可以改善原位合成反应的热力学与动力学条件，起到促进原位反应进行的作用，同时，外场作用可以控制颗粒相的过分长大或偏聚团簇现象，因此，在外场下原位合成铝基复合材料越来越受到研究者的重视。

现有技术中，提出了采用电磁场、超声场及其组合外场下制备颗粒增强金属基复合材料；这些现有技术主要包括：中国专利：CN 1676641A（公开日：2005.10.5，发明名称：制备金属基纳米复合材料的磁化学反应原位合成方法）提出在磁场（稳恒磁场、交变磁场和脉冲磁场）下进行原位磁化学反应合成；中国专利：CN 1958816（公开日：2007.05.09，发明名称：功率超声法制备内生颗粒增强铝基表面复合材料工艺）提出利用功率超声制备内生颗粒增强(Al₃Ti相)铝基表面复合材料，使增强相在基体的表层分布均匀，界面结合更好；中国专利：CN 101391290A，一种磁场与超声场耦合作用下制备金属基复合材料的方法，提出在原位反应过程施加磁场与超声的耦合场；中国专利 CN101391291A提出一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法，对熔体的原位反应合成过程施加由旋转磁场和行波磁场组合的磁场。

从现有技术报道及生产实践可知，熔体反应合成制备颗粒增强金属基复合材料的过程中施加电磁场、超声场及其组合形成耦合或复合外场，具有较好的颗粒细化和分散效果；但是，从熔体直接反应合成原位颗粒增强金属基复合材料的反应特点可知：反应盐与金属熔体之间的反应实质是带电离子颗粒与金属熔体之间的反应，其中带电离子颗粒的行为对原位反应的速率、产率以及颗粒的析出、长大和分布有决定性影响，因此，原位反应合成过程直接施加外电场，直接影响带电离子颗粒的行为，对控制原位反应的速率、产率以及颗粒的析出、长大和分布是一种非常有前景的制备方法；在诸多形式的电场中，脉冲电场具有节能、峰值电流密度高以及具有冲击振荡效应等优势，具备节能、高效等优势。

同时，考虑到熔体直接反应合成过程反应物与熔体之间的混合对反应过程也至关重要，生成的颗粒相在熔体内的分布状态对材料性能也有决定性影响，而单一施加电场对反应熔池的搅拌、反应盐的分散以及与熔体的混匀作用较弱，因此，在施加电场的同时，对熔体施加功率超声场进行振动式搅拌是一种比较理想的方案；新近的研究表明：功率超声场对金属熔体内的反应盐及生成的颗粒相具有双重作用，当超声功率较弱时，熔体内的超声驻波增加了熔体内异相颗粒振动、碰撞直至聚合长大的机会，对复合材料的制备是不利的，只有当超声场功率较强时，超声波对熔体内颗粒不再是聚集作用，而是使大颗粒细化、分散均匀化。

综上所述，为解决目前采用熔体直接反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料存在的主要问题，弥补现有外场下制备技术的不足，提出一种在高能超声场与脉冲电场耦合作用下制备颗粒增强铝基复合材料的方法，对材料的制备以及外场利用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是：提供一种在高能功率超声场与电场组合作用下熔体直接原位反应制备颗粒增强铝基复合材料的新方法，解决目前采用熔体直接反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料存在的反应效率低、生成的颗粒粗大且分散不均匀等制约材料制备和性能提高的关键问题，实现高性能颗粒增强铝基复合材料的工业规模制备和应用。