[发明专利]一种具有仿生多级结构的金属基纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有仿生多级结构的金属基纳米复合材料及其制备方法，包括以下步骤，步骤1：按照纳米陶瓷粉体和金属粉末体积比为5～15%准备原料，球磨后得到含有纯金属基体内核的核壳结构复合材料粉体；步骤2：将步骤1制备得到的复合材料粉体模压成型，然后在400℃条件下保温20min除气，然后在压力为50Mpa、温度为金属的0.85‑0.95Tm条件下烧结30min，降温卸压后得到纳米陶瓷颗粒非均匀分散的复合材料坯体；步骤3：将步骤2得到的复合材料坯体通过热挤出得到具有仿生多级结构的金属基纳米复合材料；本发明得到的复合材料在保持强度的基础上可大幅提升材料韧性，制备工艺简单、成本低，可通过调整原料尺寸、球磨参数和挤出参数对结构尺寸进行调控，生产过程无污染。

技术领域

本发明涉及一种仿生复合材料及其制备方法，具体涉及一种具有仿生多级结构的金属基纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

镁、铝、钛、铜等及其合金是理想的轻质结构材料，但是其强度、模量、耐高温等性能相对较低，无法满足特定环境下的服役要求。为了提高轻金属或轻合金的力学性能，最有效的途径之一就是添加第二相形成金属基复合材料。

研究表明，将金属间化合物、陶瓷颗粒、碳纳米管或石墨烯等增强相均匀分散在轻金属或轻合金基体中能够较大幅度地提高金属材料的强度，但是与此同时材料也面临着塑性/韧性的严重损失，因此这种传统均匀分散的金属基复合材料较低的损伤容限和有限的断裂韧度无法满足实际工程应用的需求。

通过对材料断裂行为的研究，研究者们发现可以通过抑制裂纹的萌生、钝化裂纹、降低裂纹扩展速率等手段来提高材料的韧性，因此对复合材料的微结构进行设计和调控可以达到材料强韧化的目的。自然界中的生物材料给复合材料的微结构设计提供了启迪，骨头、牙齿、贝壳等生物材料由于其独特的多级结构、极高的强度和良好的韧性备受关注，成为制备轻质高强韧金属基复合材料的理想模型材料。

目前仿生金属基复合材料的制备方法主要有冰模板法、叠层热压法、电化学沉积法、3D打印等。这些方法制备的仿生材料特征结构尺寸较大，达不到从微米到纳米的多级尺度，展现出来的力学性能也并不理想，而且工艺复杂、成本高昂，限制了其在工业上的使用。

发明内容

本发明提出了一种制备工艺简单、结构尺寸可控、界面结合良好、强韧性能优异的具有仿生多级结构的金属基纳米复合材料及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：一种具有仿生多级结构的金属基纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照纳米陶瓷粉体和金属粉末体积比为5～15％准备原料，球磨后得到含有纯金属基体内核的核壳结构复合材料粉体；

步骤2：将步骤1制备得到的复合材料粉体模压成型，然后在400℃条件下保温20min除气，再在压力为50Mpa、温度为金属的0.85-0.95T_m条件下烧结30min，降温卸压后得到纳米陶瓷颗粒非均匀分散的复合材料坯体；

步骤3：将步骤2得到的复合材料坯体通过热挤出得到具有仿生多级结构的金属基纳米复合材料。

进一步的，所述步骤1中采用行星球磨方式进行球磨，采用硬质合金球作为球磨介质，球料比为25：1；过程控制介质采用硬脂酸或无水乙醇，其占原料质量比为1～4％；行星球磨中公转速度为120～200转/分，自转速度为10～50转/分。

进一步的，所述步骤1中的球磨为行星式球磨，在20～30℃条件下球磨20～50h或者在-196℃～-20℃条件下球磨1～20h。

进一步的，所述步骤1中的金属粉末为铝粉、镁粉、钛粉、铜粉中的一种。

进一步的，所述纳米陶瓷粉为纳米氧化铝粉、纳米氧化镁粉、纳米氧化硅粉、纳米氧化钛粉、纳米碳化硅粉、纳米碳化硼粉、纳米碳化钛粉、纳米氮化铝粉中的一种。