[发明专利]一种氧化铝/铝微叠层复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种氧化铝/铝微叠层复合材料及其制备方法。

背景技术

作为一种轻质材料，氧化铝/铝复合材料既具有氧化铝陶瓷高强度、高模量及高硬度的特点，又具备铝金属的良好韧性，因此采用此类材料制造的零部件不仅表现出高强韧的性能优势，从而大幅提升零部件服役过程中的稳定性与可靠性，而且能够满足航空、航天等领域的装备轻量化要求。目前，氧化铝/铝复合材料中作为增强体的氧化铝一般以颗粒、纤维及骨架等形式存在于铝基体中，通过氧化铝的均匀弥散分布使复合材料呈现优异的力学性能；其制备工艺主要包括粉末冶金、真空热压、熔渗及挤压铸造等高温方法。但是，上述氧化铝/铝复合材料及其制备方法难以高效率生产大尺寸厚板，加工成本较高。

叠层或层状复合是一种获得大尺寸复合板的有效方式，表现为高强度、高硬度、高模量的陶瓷层与韧性及成型性较好的金属层按一定的层间距及层厚比交互重叠形成的一种多层结构；当层厚控制在0.01μm到100μm范围内时，能够达到陶瓷与金属组分性能间的有效配合，从而获得强韧性优异的微叠层复合材料。目前，陶瓷/金属微叠层复合材料的制备一般采用轧膜成形、流延成形及注浆成形等工艺制备出陶瓷生坯层，然后与金属箔叠置后热压烧结获得；或者采用电子束物理气相沉积、等离子喷涂等方法制备。但是，对于氧化铝/铝微叠层复合材料而言，前一类方法因氧化铝陶瓷的烧结温度远高于氧化铝/铝复合材料的热压温度，导致复合板材制备过程中难以有效实现氧化铝陶瓷的烧结，从而影响复合材料的强度；后一类方法则难以高效率制备厚度5mm以上的无支撑独立厚板。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化铝/铝微叠层复合材料及其制备方法，用以解决氧化铝/铝轻质复合板的制备难题，尤其可以高效率生产厚度5mm以上大尺寸板材且加工成本低。

本发明提供的一种氧化铝/铝微叠层复合材料，包括氧化铝层和铝层，所述氧化铝层与铝层交替叠加形成总层数为40-400层的层状复合结构；所述氧化铝层厚度为10-30μm，铝层厚度为30-50μm。

优选的，所述氧化铝/铝微叠层复合材料为板材，所述板材的厚度为1-10mm，长度或宽度为50-1000mm。

优选的，所述氧化铝/铝微叠层复合材料的密度为2.9-3.1g/cm³，抗弯强度为256-319MPa。

一种氧化铝/铝微叠层复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、箔材A的制备

采用50μm厚的铝箔作为前驱体，经表面清洁处理并与电源正极连接，然后置于由硅酸盐、磷酸盐及添加剂混合而成的电解液中，在400-550V电压下微弧氧化处理10-20min，得到具有氧化铝层/铝层/氧化铝层三层结构的箔材样品；

用去离子水对所述箔材样品进行表面清洗，干燥后得到箔材A；

步骤2、箔材B的制备

选取厚度为30-50μm的铝箔，在腐蚀液中浸泡60-120s后取出，用去离子水清洗腐蚀处理的铝箔表面，室温干燥后得到箔材B；

步骤3、箔材的叠放

在箔材长度与宽度相同的条件下，将步骤1得到的箔材A与步骤2得到的箔材B按照ABAB……AB或ABAB……ABA或BABA……BAB的叠层方式由下向上整齐叠放，得到叠层样品；

步骤4、叠层样品的热压

对叠层样品施加2-3MPa的预压力，待真空度达到1×10^-2Pa后开始加热，升温速率为5-10℃/min，升温过程中保持外加压力2-3MPa；待温度升至530-600℃时进行真空热压或者真空热轧处理，然后冷却至室温，得到氧化铝/铝微叠层复合材料；

最后将得到的氧化铝/铝微叠层复合材料进行切边及表面清洁处理，或者切割加工成所需尺寸的氧化铝/铝微叠层复合材料产品。

优选的，上述制备方法中，步骤1还包括：对所述箔材样品进行表面清洗，干燥，然后采用化学镀方法，在干燥后的箔材样品的表面沉积厚度0.9-1.1μm的铜或镍层，得到箔材A。

优选的，上述制备方法中，步骤2中，所述腐蚀液为由氢氧化钠和腐蚀液添加剂混合而成的碱溶液，且腐蚀处理时间为120s；所述腐蚀液添加剂为硅酸钠、碳酸钠的一种或两种，每种添加量不超过5g/L。

优选的，上述制备方法中，步骤2中，所述腐蚀液为含氢氟酸的酸溶液，且腐蚀处理时间为60s。