[发明专利]一种纳米ZrB2颗粒增强铝基复合材料的原位制备方法

说明书

技术领域

   本发明涉及铝基纳米复合材料制备技术领域，具体是一种纳米ZrB₂颗粒增强铝基复合材料的原位制备方法。

背景技术

   具有纳米尺度的颗粒增强铝基复合材料是相对于传统的微米颗粒增强铝基复合材料更具竞争力的新型复合材料，受到科学和工程领域研究者的广泛关注；当复合材料中的增强颗粒尺寸由微米级减小到纳米级时，单位体积内纳米颗粒的比表面积是微米颗粒的比表面积的数百倍之多，这将极大的提高复合材料内部的界面，大量的活性界面导致纳米颗粒与基体产生强烈的交互作用；这种强烈的交互作用使得纳米颗粒增强金属基复合材料的比强度，比模量，耐磨损性及高温抗蠕变性能等较常规金属材料和传统微米颗粒增强体金属基复合材料有了显著提高，从而达到减重和提高服役安全性的双重目的，是理想的轻质结构材料，在航空、航天、电子、汽车等领域具有广阔的应用前景。

   ZrB₂ 相对于TiC、SiC、A1₂O₃等常见的铝基复合材料增强体，具有高熔点、高硬度和高模量、耐腐蚀、耐磨等优点，使ZrB₂ 颗粒增强铝基复合材料受到广泛的关注；其中原位颗粒增强铝基复合材料，由于其增强体与基体良好的界面结合和高温稳定性而成为该领域的研究热点；在现有的合成工艺中，混合盐反应法原位制备铝基复合材料可实现与现有材料成型工艺无缝对接，且工艺简单、成本低，所制备的复合材料性能好，而最具工业化应用前景，如申请号为201110306599.8的发明专利报道了通过超声作用，采用Al，K₂ZrF₆ 与KBF₄反应成中间合金，将中间合金加入到镁熔体中制备ZrB₂镁基复合材料的方法，此方法所制备ZrB₂颗粒弥散分布，使第二相Mg₁₇Al₁₂连续的网状分布相变为颗粒状或短块状，从而使复合材料的力学性能大幅度提高，但这该工艺制备的中间合金中ZrB₂尺寸为微米级，同时反应粉剂均为氟盐，环境污染严重、人体危害大，且KBF₄的分解温度低、易发生反应生成KF＋BF_３（气体），导致B元素的收得率偏低（实际中KBF₄一般要过量20wt.%）。

发明内容

本发明的目在于克服现有技术的不足，提供一种纳米ZrB₂颗粒增强铝基复合材料的原位制备方法；采用低成本、无污染的Na₂B₄O₇作为B元素供体代替KBF₄，利用熔体搅拌和超声化学混合作用控制原位合成颗粒尺寸，制备出纳米级的颗粒增强铝基复合材料。

本发明的纳米ZrB₂颗粒增强铝基复合材料原位制备方法具有以下优点：①采用Na₂B₄O₇作为B元素供体代替传统的KBF₄，可有效减少氟盐的用量、降低氟盐带来的环境污染。② 同时Na₂B₄O₇分解温度高，不产生含B的挥发气体，利于B收得率的提高，且Na₂B₄O₇来源广泛，成本低廉，有利于实现规模化生产。③ 在高能超声的作用下，合成的ZrB₂颗粒尺寸为纳米级（20~100nm），颗粒分布均匀，从而利于所制备的复合材料力学性能的大幅度提高。

本发明是通过以下技术方案来实现的:

（1）将K₂ZrF₆ 和 Na₂B₄O₇.10H₂O 在干燥箱中烘干去除结晶水，然后研磨并按

比例称量待用。

（2）将作为基体金属的纯铝或铝合金进行熔炼。

（3）将无水Na₂B₄O₇ 加入到铝熔体中反应并用石墨搅拌器搅拌，保温，扒渣获

得Al-B中间熔体。

（4）将无水K₂ZrF₆加入步骤（3）所获得的熔体中反应，并施加搅拌和超声促