[发明专利]提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及提高纯铝基复合材料强度和塑性的方法。

背景技术

与铝相比，晶须(碳化硅晶须、硼酸铝晶须等)增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、耐磨损性、低的热膨胀系数，在航空、航天、电子和机械等行业具有应用潜力。然而在铝中加入晶须后，铝的塑性和韧性降低，容易导致脆性断裂。以硼酸铝晶须增强纯铝基复合材料为例进行说明，由于相互搭接的硼酸铝晶须割裂了连续的基体铝合金，且晶须与基体之间的界面结合强度低，受力作用下裂纹首先在晶须搭接和晶须/基体界面处萌生，随后迅速扩展，造成材料低的延伸率；纯铝的延伸率为52％，为韧性断裂，而晶须体积分数为20％的硼酸铝晶须增强纯铝基复合材料的延伸率仅不到0.5％，为脆性断裂，这种延伸率的大幅降低成为晶须增强铝合金复合材料在航空、航天等领域应用的主要障碍之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决晶须增强纯铝基复合材料的延伸率低的问题；提供了提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法。

本发明提高晶须增强纯铝基复合材料强度和塑性的方法是通过下述步骤进行的：一、根据预制块中晶须和碳纳米管的体积分数及预制块的高度，按照m＝0.25×π×D²×H×V_f×ρ分别称取直径为0.1～1μm的硼酸铝晶须和直径为10～30nm的碳纳米管，其中，m是需要称取的晶须或碳纳米管的质量，m的单位：g，D是预制块的直径，D的单位：cm，H是预制块的高度，H的单位：cm，V_f是预制块中晶须或碳纳米管的体积百分数，ρ是晶须或碳纳米管的密度，ρ的单位：g/cm³，晶须为碳化硅晶须或硼酸铝晶须；二、将步骤一称取的碳纳米管纯化，再用蒸馏水稀释20～40倍后用微孔滤膜进行负压过滤，过滤过程中不断添加蒸馏水直到过滤出溶液的pH值为6.5～7.5；三、再用蒸馏水将微孔滤膜上的碳纳米管冲洗下来，得到碳纳米管悬浊液，其中碳纳米管悬浊液中碳纳米管质量与蒸馏水的体积的比例为1克∶100毫升；四、将碳纳米管悬浊液超声分散5分钟，然后机械搅拌10分钟；五、重复步骤四的操作三次；六、将步骤一称取的晶须用氢氟酸酸洗后放入经步骤五处理的碳纳米管悬浊液中，再加入硅胶粘结剂得到混合料，硅胶粘结剂体积与步骤一晶须质量比为2毫升∶1克，然后将混合料超声分散0.5～1小时，再机械搅拌同时在80～100℃条件下加热至混合料体积在30(m_W/3.2)～40(m_W/3.2)，m_W是预制块中晶须质量，m_W的单位为g，得到糊状混合物；七、将糊状混合物倒入模具中，在室温下保持12～24小时，将压头放入模具中加压至预制块的高度，保压10～20分钟，脱模，得到预制块；八、将预制块在室温下放置24～48小时，然后放入烘干箱内烘干，再放入烧结炉内进行真空烧结；九、将经烧结处理的预制块放入钢模具中，预制块与钢模具之间的缝隙长度为5～10mm，用纯铝粉将预制块和模具间的缝隙填平，随后在预制块和纯铝粉表面撒上2～4毫米厚的粒度200目的氧化铝粉，再在模具外面放上环形电阻加热炉，升温到520～570℃后保温至少三十分钟；十、将纯铝加热到820～870℃并保温至少三十分钟，然后浇注到经步骤九处理的预制块模具中，施加5MPa的压力，保压20秒，升压至150MPa，保压5分钟，随炉冷却，即完成了对晶须增强纯铝基复合材料的强度和塑性提高。

本发明所述方法还可用酸性磷酸铝粘结剂代替步骤六的硅胶粘结剂。

本发明方法制备出的硼酸铝晶须与碳纳米管同时增强的复合材料中Al/ABOw和Al/MWNTs界面平直，没有发现界面反应产物，制备过程没有对晶须或碳纳米管产生明显的损伤。本发明制备的复合材料(ABOw+MWNTs/Al)的延伸率达到3.69％以上，延伸率比硼酸铝晶须增强的纯铝复合材料有明显提高，而且弹性模量、屈服强度和抗拉强度得到进一步的提高。

附图说明

图1是具体实施方式十四制备的硼酸铝晶须(ABOw)与碳纳米管(MWNTs)同时增强纯铝(Al)复合材料(ABOw+MWNTs/Al)中Al/ABOw界面的透射电镜照片；图2是具体实施方式十四制备的硼酸铝晶须(ABOw)与碳纳米管(MWNTs)同时增强纯铝(Al)复合材料(ABOw+MWNTs/Al)中Al/MWNTs界面的透射电镜照片；图3是纯铝(pure Al)、硼酸铝晶须增强纯铝复合材料(ABOw/Al)和晶须与碳纳米管同时增强纯铝复合材料(ABOw+MWNTs/Al)的拉伸曲线图。