[发明专利]带有矿物桥结构的氧化铝增强铝基叠层复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种带有矿物桥结构的氧化铝增强铝基叠层复合材料及其制备方法。该复合材料包括铝基体和增强相，所述增强相为带有二氧化硅颗粒的片状氧化铝粉末。该方法通过溶胶凝胶法在片状氧化铝粉末上镀覆一层二氧化硅颗粒，形成一种带有矿物桥的片状氧化铝粉末，然后与预先制备的微纳片状铝粉充分混合均匀，再经热等静压成型、热变形加工，最终得到带有矿物桥结构的氧化铝增强铝基叠层复合材料。本发明不仅有效地模仿了贝壳结构中的矿物桥结构，提高了增强体与基体之间的界面结合，而且所得的叠层复合材料在提高强度的同时，韧性并未降低，还有一定程度的提高。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体地，涉及颗粒增强金属基复合材料及其制备，尤其涉及带有矿物桥结构的氧化铝增强铝基叠层复合材料及其制备方法。

背景技术

金属基复合材料以其高强度、高模量、密度小、导电导热等优异的力学特性和功能特性广泛应用于航天航空、交通运输和防弹防护等领域，成为不可或缺的轻量化结构材料和功能材料。然而因为颗粒、晶须、纤维等增强体的加入，尽管因为界面效应和协同耦合承载的调控可以实现强度、模量等性能非常大的改善，但是同时塑韧性和损伤容限也会显著下降，这种强度和塑韧性的倒置关系严重限制了金属基复合材料的应用。

近年来，国内外科学家逐渐认识到对复合材料的非均匀构型设计和调控，能够实现强度和塑韧性的同步提高。这种构型设计早已被自然界的生物材料所验证，贝壳珍珠层就是其典型的代表。贝壳珍珠层由95％的文石片(CaCO₃)和5％的有机质(蛋白质和多糖)组成，尽管珍珠母层中的有机质仅占5％，但它在空间和化学层面上控制了晶体的成核和生长，形成其特有的“砖-泥-桥”结构，在微观结构的改善和韧性增强方面起着重要作用。贝壳珍珠母层的韧性可达文石片的3000多倍，其优异的强度和韧度综合性能得益于其特殊的软相与硬相相互交替叠合的多级叠层结构。然而，许多仿生的科研报告实际未脱离常规的砌砖结构的思想，按照传统的“砖-泥”结构仿生的层状复合材料的力学性能仍然与贝壳相差甚远。研究人员逐渐发现珍珠层层之间存在着许多的亚微结构，例如文石片表面的纳米粗糙颗粒、矿物桥、及其波纹状表面，特别是矿物桥对贝壳的强韧性的影响也是不可忽略的。

经过对现有技术的检索发现，还没有带有矿物桥结构的氧化铝增强铝基叠层复合材料的相关研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带有矿物桥结构的氧化铝增强铝基叠层复合材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明的第一方面提供一种带有矿物桥结构的氧化铝增强铝基叠层复合材料，包括铝基体和增强相，所述增强相为均匀分散的带有二氧化硅颗粒的片状氧化铝粉末。

优选地，所述增强相中，二氧化硅的体积分数为不大于5％，优选3％-4％，所述增强相在复合材料中所占体积分数为不大于30％，优选5％-20％，若大于30％，会发生团聚。二氧化硅的体积分数若大于5％，会发生团聚。

优选地，所述增强相中，选用的片状氧化铝粉末的厚度为0.25μm-1μm，直径为5μm-30μm。

优选地，所述二氧化硅颗粒通过溶胶凝胶法生成，直径为200nm-600nm。

本发明的第二方面提供一种带有矿物桥结构的氧化铝增强铝基叠层复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过溶胶凝胶法制备表面覆着了二氧化硅颗粒的片状氧化铝粉末：将片状氧化铝粉末加入到无水乙醇中搅拌均匀作为反应母液；恒温搅拌、再加入氨水的混合溶液调节PH至碱性；然后加入前驱物的无水乙醇混合溶液；充分反应后，抽滤、清洗、烘干，即可得到表面覆着了二氧化硅颗粒的片状氧化铝粉末；所述氨水的混合溶液由氨水：乙醇：水＝1：2：2的体积比配制而成；其中氨水为浓度28％的浓氨水，用于调节PH值，乙醇为溶剂，水作为前驱物水解缩合反应的反应物；