[发明专利]一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料及其制备方法

权利要求书

1.一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料，其特征在于，所述的铝基复合材料具有陶瓷层与铝合金层交替叠层而形成的层状结构，同时在层状结构中具有随机分布的纳米陶瓷纤维增强的空心陶瓷球；这些纳米陶瓷纤维分布于空心陶瓷球内部，构成三维网状结构，用于增加空心陶瓷球的强度；

将被增强的金属材料称为金属基复合材料的基体相，所述的基体相为铝合金为Al-10wt.％Mg；

将添加到金属材料中增加金属材料强度的陶瓷材料称为陶瓷增强相，所述的陶瓷增强相为氧化铝或碳化硅。

2.一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1)制备纳米陶瓷颗粒分散液：将纳米陶瓷增强相颗粒和占纳米陶瓷增强相颗粒1～30wt.％的烧结助剂颗粒混合成纳米陶瓷颗粒；将纳米陶瓷颗粒:去离子水按体积百分比为5～30％:95～70％的比例配料；将占纳米陶瓷颗粒质量0.2～2.0wt.％的分散剂和占纳米陶瓷颗粒质量1.0～4.0wt.％聚乙烯醇粘结剂倒入去离子水中，搅拌至分散剂和粘结剂完全溶解且溶液中出现微小气泡为止；接着将纳米陶瓷颗粒倒入上述溶液中，搅拌均匀并超声分散10分钟，得到陶瓷颗粒含量为5～30vol.％的陶瓷颗粒分散液；

所述的纳米陶瓷颗粒的粒径小于40纳米；

所述的陶瓷增强相颗粒为氧化铝或碳化硅；

所述的分散剂和烧结助剂，对于碳化硅陶瓷颗粒，选用的分散剂为羧甲基纤维素钠，选用的烧结助剂为氧化铝颗粒；对于氧化铝陶瓷颗粒，选用的分散剂为聚丙烯酸铵，选用的烧结助剂为二氧化硅颗粒；

2)采用冰模板法将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液制备成多孔陶瓷骨架：将步骤(1)得到的陶瓷颗粒分散液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块上，将该金属块作为冷指，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对陶瓷颗粒分散液进行定向冷冻，直至该陶瓷颗粒分散液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块；将得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到多孔陶瓷坯体；然后将得到的多孔陶瓷坯体先在500～700℃的空气环境中预烧2h，随后在1500-1800℃的真空条件下烧结2h，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的多孔陶瓷骨架；

所述的金属块材质为铜或铝；

所述的冷冻剂为液氮；

3)采用无压浸渗法将铝合金浸渗到步骤(2)得到的多孔陶瓷中，制备复合材料：将铝合金与多孔陶瓷按体积比不小于1:1的比例放置于高温炉中，其中铝合金置于多孔陶瓷的上部；在氮气气氛、一个大气压和1050-1150℃的条件下浸渗1-4h，然后随炉冷却，制得具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料；

所述的铝合金为Al-10wt.％Mg。