[发明专利]一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝基复合材料制造领域，特别涉及一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

由于铝合金具有密度低、其合金选择范围广、可热处理性好，制备工艺灵活多样等优点，使铝基复合材料迅猛发展并成为当前金属基复合材料发展和研究工作的主流。连续纤维增强铝基复合材料是一种以连续纤维作为增强相，铝及铝合金为基体相制备而成的复合材料。它具有轻质、比强度高、比模量高、耐磨性强、耐高温性能好、导电、导热性好、抗疲劳、抗老化等优良的综合性能，使其在先进武器、航空航天等领域有着广阔的应用前景。其中增强纤维绝大多数情况下是作为承载组分，而金属基体主要起黏结纤维、传递载荷、部分承载的作用。铝基复合材料具有质量轻、比强度高、热稳定性和导电导热性优异、低的热膨胀系数以及良好的耐磨性，在航空航天、汽车、电子、交通运输等领域具有广阔的应用背景。但是，迄今为止，针对纤维增强铝基复合材料的研究主要采用碳纤维、硼纤维、Al₂O₃纤维、SiC纤维等增强相，对采用连续SiO₂纤维增强铝基复合材料的研究报道暂未发现。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型高性能的二氧化硅纳米纤维定向增强铝基复合材料，复合材料内部的二氧化硅纳米纤维连续有序且定向排列，分布均匀、弥散，纤维无缺陷，容易成形及批量化生产。

本发明还提供所述二氧化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，该方法结合溶胶凝胶工艺、静电纺丝工艺和快速烧结的固态成型工艺，不仅可以使复合材料达到近乎致密状态，还可以控制二氧化硅纤维颗粒和铝合金基体之间的界面反应，有效提高材料的强度和模量。

本发明的目的通过下述技术方案实现。

一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料，增强相为二氧化硅纳米纤维，基体为铝合金。

进一步地，所述铝合金包括变形铝合金和铸造铝合金。

更进一步地，所述变形铝合金包括1xxx系、2xxx系、4xxx系、5xxx系、6xxx系或7xxx系铝合金。

更进一步地，所述铸造铝合金包括Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-RE系或Al-Zn系铝合金。

进一步地，所述二氧化硅纳米纤维占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数在0.1%～35%之间，所述铝合金占二氧化硅纳米纤维与铝合金总质量的质量分数在65%～99.9%之间，且二者之和等于1。

制备所述一种二氧化硅纤维增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：

（1）二氧化硅溶胶的制备：将正硅酸乙酯、乙腈、去离子水和浓盐酸在油浴锅中加热，取出后在烘箱中陈化，得到二氧化硅溶胶，静置；

（2）静电纺丝：将静置后的二氧化硅溶胶静电纺丝，收集得到二氧化硅纳米纤维膜；

（3）制备预制块：将获得的二氧化硅纳米纤维膜剪碎，再与铝合金粉混合后用压机压制成预制块；

（4）放电等离子烧结制备铝基复合材料：采用放电等离子烧结系统对制备的预制块进行烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，脱模，得到所述二氧化硅纤维增强铝基复合材料。

进一步地，步骤（1）中，所述正硅酸乙酯和乙腈的体积比为4~1：1；所述去离子水、浓盐酸和乙腈的体积比为1：30：53~215。

进一步地，步骤（1）中，所述乙腈采用同等量的乙醇代替。

进一步地，步骤（1）中，所述浓盐酸采用同等量的浓硝酸代替。

进一步地，步骤（1）中，所述油浴的温度为60~100℃，时间为0.5~3小时。

进一步地，步骤（1）中，所述陈化的温度为35~40℃，时间为10~60h。

进一步地，步骤（1）中，所述静置是静置至二氧化硅溶胶的粘度达到8~18mPa•s。

进一步地，步骤（2）中，所述静电纺丝的参数设置为：电压为12-18kV，溶胶注射速率为0.001-0.02ml/s，收集距离为5-10cm，转速为200-3000rpm。

进一步地，步骤（3）中，所述铝合金粉和剪碎的二氧化硅纳米纤维膜混合的时间为10~20h。

进一步地，步骤（3）中，所述压制的压力为200-400MPa，保压时间为5-20s。

进一步地，步骤（4）中，所述烧结的温度为450℃～550℃，升温速率为50～120℃/min，保温烧结时间为5～20min，烧结压力为20～50MPa。

进一步地，步骤（4）中，烧结过程采用的模具为石墨模具。

本发明制备方法的原理为：