[发明专利]一种弥散强化铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝基复合材料制备技术领域，特别是提供了一种纳米颗粒弥散强化铝基复合材料的制备方法。

技术背景

铝基复合材料具有重量轻、比强度高、比模量高、热膨胀系数低、耐高温、耐磨损、尺寸稳定等优异的物理性能和力学性能，广泛应用于航空航天、军事国防以及交通运输、电子封装等领域。其中，弥散强化铝基复合材料具有成本低、制备工艺简单、性能更加突出等特点，已逐渐成为国内外铝基复合材料领域的研究热点。常用的弥散强化铝基复合材料制备技术有粉末冶金法和铸造法两种工艺。粉末冶金法的工艺设备复杂、成本偏高，不易制备大体积和形状复杂的零件，而且在生产过程中存在粉末燃烧和爆炸等危险。而铸造法工艺简单，操作方便，可以制备大体积的复合材料，设备投入少，生产成本低，生产率高，适宜工业化规模生产。

传统的铝基复合材料是将增强颗粒外加到铝基体中，由于在铝基体中外加颗粒存在着增强颗粒与基体间润湿性差，界面反应难以控制，增强颗粒分布不均匀等缺陷，影响了铝基复合材料的性能。如何改善增强颗粒与基体间的润湿性，提高材料的界面性能，成为当前一个亟待解决的问题。

高能超声法是一种将纳米颗粒分散到铝合金熔体中的有效方法。高能超声法的原理是利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流效应所引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等作用来促进纳米颗粒混入铝合金熔体，改善纳米颗粒与铝合金熔体间的润湿性，迫使纳米颗粒在铝合金熔体中均匀分散。高能超声法是一种工艺简便、成本低廉的弥散强化铝基复合材料的制备方法。但是，按照传统铸造工艺将单一增强颗粒外加到铝合金熔体中，在高能超声分散过程中大部分增强颗粒会浮在熔体表面或粘附于熔炼坩埚内壁，不易均匀分散进入整个铝合金熔体中。因此，最终获得的铝基复合材料中增强颗粒宏观上分散不均匀，性能一致性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的铝基复合材料中增强颗粒宏观上分散不均匀，性能一致性差的问题，提供一种弥散强化铝基复合材料的制备方法，使其解决以往弥散强化铝基复合材料存在脆性相和材料分布不均匀的缺陷，纳米级Al₂O₃颗粒在基体中均匀分布，起到了弥散强化作用，使基体的强度和模量得到明显提高。

一种弥散强化铝基复合材料的制备方法，首先采用溶胶-凝胶法制备CuO/Al₂O₃纳米复合粉，使纳米Al₂O₃与CuO颗粒均匀混合，以保证纳米Al₂O₃颗粒后续充分分散进入铝合金熔体内部，再采用高能超声法制备弥散强化铝基复合材料。具体方法包括以下内容：

1、溶胶-凝胶法制备CuO/Al₂O₃纳米复合粉

（1）以可溶性铜盐和硫酸铝铵（NH₄Al(SO₄)₂）为原料，配制成0.1～25 mol/L的水溶液作为反应母液，配制一定浓度的碳酸氢铵（NH₄HCO₃）溶液作为沉淀剂，根据CuO/Al₂O₃中Al₂O₃含量确定铜盐和硫酸铝铵（NH₄Al(SO₄)₂）的量，依照NH₄Al(SO₄)₂与NH₄HCO₃的摩尔比为1:4及Cu²⁺与NH₄HCO₃的摩尔比为1:2确定NH₄HCO₃的量。

（2）将沉淀剂溶液加入反应母液中，同时向反应体系中加入0.5～1.0 mol/L NH₃·H₂O调节体系pH值始终保持中性，持续搅拌10～60 min后超声分散5～30 min得到水溶胶，搅拌速度为100～500 r/min，超声功率为100～1000 W。

（3）将上述所得水溶胶陈化10～24 h后，去除上层清液，离心脱水后得凝胶。在80 ℃下将凝胶烘干后研磨成粉，在500～800 ℃空气中煅烧60～120 min即得CuO/Al₂O₃纳米复合粉。

2、高能超声法制备弥散强化铝基复合材料