[发明专利]利用原子堆积理论和低压加压法制备颗粒与纤维强化Al基合金复合材料的方法

说明书

本发明涉及金属基复合材料的制备，是一种利用原子堆积理论和低压加压法制备颗粒与纤维强化Al基合金复合材料的方法。本发明采用原子堆积理论建立计算方式，有效地解决了强化颗粒与纤维混杂强化复合材料时强化颗粒的团簇问题，使得纤维能有效地形成三维分布，从而保护颗粒的滑移问题；明确地建立了纤维与微米级强化颗粒最佳添加的比例，从而解决了纤维与颗粒混杂后无从下手的问题，使材料能在多维空间下得到运用。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备，具体通过原子堆积理论设计优化陶瓷纤维与粒子的混合，通过晶体结构解析陶瓷纤维与粒子配比添加，提高强化颗粒在金属基体合金内的均匀分布。

背景技术

近年，在电子、航空、机动车等领域里轻金属材料得到了广泛的应用。最近的研究表明以贝壳仿生叠层思想，采用片状粉末冶金方法制备得石墨烯增强铝基复合材料其延伸率比碳纳米管均匀随机排布的复合材料提高了近一倍，而强度也提高了10％，可见强化材料在基体合金中的排列对材料性能起到了关键作用。然而粉末冶金法只适用于颗粒增强复合材料。强化颗粒极易发生团聚，其严重团聚及其与金属不润湿等特性，使其很难分散到金属基体中。发生团簇的地方将变成缺陷使得金属基复合材料整体的性能下降。如何使强化颗粒在金属基体合金内均匀分布是本领域亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种利用原子堆积理论优化颗粒与纤维添加比例强化Al-基合金复合材料的方法，以微观的晶体结构解析宏观的成型工艺的新型理念。

本发明的发明构思是：本发明通过原子堆积理论构建的计算方式解析在基体合金内同时添加颗粒和纤维最佳配比，通过加压法渗透使强化颗粒均匀分布在基体合金内的同时使纤维可以达到最佳三维尺度的分布，使材料能在多维空间下得到运用。

本发明的构建方法包括以下步骤：

S1.构建原子堆积理论模型，采用尺寸相同的微米级或纳米级强化颗粒和Al粒子按照1:1～1:3比例混合，将每个Al粒子与强化颗粒视为一个原子，理想状态下，Al粒子与强化颗粒通过球磨混合后均一分布，将混合后的粉末视为一个简单立方晶胞或面心立方晶胞；

S2.根据简单立方晶胞或面心立方晶胞的原子占有率计算对应的空隙率即为纤维添加量；

S3.计算纤维与强化颗粒的添加比例，纤维：

S4.根据步骤S3中确定的强化颗粒、纤维和Al粒子的添加比例，采用低压加压法制备Al基合金复合材料。

进一步的，所述的步骤S1微米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:1时构建为简单立方晶胞，其原子占有率为52％，剩余48％的空隙率即为纤维添加量；纤维与微米级强化颗粒的添加比例＝空隙率/(原子占有率/2)。根据微米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:1可知，微米级强化颗粒的添加量为(52％÷2)＝26％，纤维的添加量即为空隙率48％，由此可知纤维与微米级强化颗粒的添加比例为1.5<f/p<3，具体为48％：26％＝1.85。

进一步的，所述的步骤S1纳米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:3时构建为面心立方晶胞，其原子占有率为74％，剩余26％的空隙率即为纤维添加量；纤维与纳米级强化颗粒的添加比例＝空隙率/(原子占有率/(1+3))。根据纳米级强化颗粒和Al粒子的混合比为1:3可知，纳米级强化颗粒的添加量为(74％÷4)＝18.5％，纤维的添加量即为空隙率26％，由此可知纤维与纳米级强化颗粒的添加比例为1.41≤f/p≤1.5，具体为26％：18.5％＝1.41。

由上述方法可知在加压法低压加压法制备颗粒与纤维强化Al-基合金复合材料中，纤维与强化颗粒的最佳添加比例，彻底解决了同时添加纤维与颗粒混杂导致团簇的问题。