[发明专利]仿珍珠层结构基体的颗粒增强金属基复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体是仿珍珠层结构基体的颗粒增强金属基复合材料及制备方法。本发明采用致密化温度低且可控的累积叠扎技术，先将表面均匀吸附纳米相的微米陶瓷增强体颗粒涂覆于金属薄片的表面，然后堆叠铆接获得复合板并进行相应的处理，最后通过低温的累积叠轧技术实现复合板的致密化和增强体在基体中的均匀分布。通过轧制道次和轧制温度的控制，获得叠层尺度和界面结构可控的基体为仿珍珠层结构的高强韧、多功能颗粒增强体金属基复合材料。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体是仿珍珠层结构基体的颗粒增强金属基复合材料及制备方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)具有高比强度、比模量以及高导热、低膨胀、高耐磨、中子吸收等功能，在航空、航天、汽车、机械、电子和核工业等领域得到了广泛的应用。然而，PRMMCs由于高强度、高模量、多功能的微米级陶瓷增强体颗粒的引入，使复合材料在服役过程中极易产生应力集中、导致裂纹产生并快速扩展，显著降低塑韧性、使其成形性能和服役安全性受限。

反观自然，“适者生存”的法则使自然界中许多生物材料演变出近乎完美的结构与性能。以贝壳珍珠层为例：其是由95vol.％碳酸钙(文石片)和5vol.％有机质组成，碳酸钙以多层叠合的形式排列，有机质填充在层间，形成“砖-泥”结构，这种结构能对文石片在力作用下产生的裂纹进行偏转、桥接和钝化，从而使贝壳珍珠层与单一文石片相比，韧性提高了约2～3个数量级。因此，以高性能的碳纳米增强相(如：氧化石墨烯(GrO)、石墨烯(Gr)、碳纳米管(CNT)、纳米碳纤维)为“砖”引入PRMMCs的基体中，获得基体为仿珍珠层结构的PRMMCs，是获得高强韧的结构功能一体化PRMMCs的重要途径。然而，在复合材料的实际制备过程中，铝、镁、钛等金属与碳纳米增强相复合致密化的温度通常超过了其反应温度，致使复合材料在高温致密化过程中反应生成脆性的Al₄C₃相，且叠层尺度控制困难(如技术文献：ZL102703742B、ZL106541135A)，使碳纳米增强相的强化和韧化效用难以发挥，成为制备基体为仿珍珠层结构的PRMMCs的瓶颈。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术中，复合材料的叠层尺度和界面结构无法控制的不足，提供一种叠层尺度和界面结构可控的基体为仿珍珠层结构的PRMMCs及其制备方法，解决了已有技术致密化温度高导致的界面反应和叠层尺度控制困难的问题。同时，本技术的复合材料致密化温度低、成形过程中形变量大、易于规模化制备的优点，也使金属基体的晶粒更加细小，甚至达到超细晶、纳米晶尺度，碳纳米增强相和微米陶瓷增强体分布更加均匀。从而，本发明专利是在查阅已有技术文献并克服其技术瓶颈的基础上，基于结构和原理仿生理念发展的叠层尺度和界面结构可控的基体为仿珍珠层结构的高强韧、多功能PRMMCs及其制备方法。

本发明采用致密化温度低且可控的累积叠轧技术，先将表面均匀吸附纳米相的微米陶瓷增强体颗粒涂覆于金属薄片的表面，然后堆叠铆接获得复合板并进行相应的处理，最后通过低温的累积叠轧技术实现复合板的致密化和增强体在基体中的均匀分布。通过轧制道次和轧制温度的控制，获得叠层尺度和界面结构可控的基体为仿珍珠层结构的高强韧、多功能颗粒增强体金属基复合材料。

本发明所采取的具体技术方案是：

一种基体为仿珍珠层结构的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是：将表面均匀吸附纳米相的微米陶瓷增强体颗粒均匀涂覆于金属薄片的表面，烘干后将被涂覆的金属薄片堆叠铆接获得复合板并进行相应的处理，最后通过低温的累积叠轧技术实现复合板的致密化和增强体在基体中的均匀分布，获得叠层尺度和界面结构可控的基体为仿珍珠层结构的PRMMCs；其中叠层厚度为0.2nm～500μm可调，界面可选择性实现冶金结合、冶金-机械过度结合和机械结合三种方式，以获得高强高韧的基体为仿珍珠层结构的颗粒增强金属基复合材料。