[发明专利]一种陶瓷-金属仿生纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明关于一种陶瓷‑金属仿生纳米复合材料及其制备方法，其中，该陶瓷‑金属仿生纳米复合材料由Ti₂AlC或Ti₃AlC₂陶瓷相和Mg或Mg合金金属相组成，在微观上，其具有与贝壳珍珠层微观结构类似的交互排列的纳米片层结构；陶瓷相、金属相以纳米片层形式相间定向排列；陶瓷相与金属相各自保持连续，相邻的纳米片层之间相互连接。该复合材料的制备方法如下：将Ti₂AlC或Ti₃AlC₂纳米片状的陶瓷粉体配制成混合浆料，进行真空抽滤、热压烧结，得到纳米片层结构的多孔陶瓷骨架；利用Mg或Mg合金熔体浸渗多孔陶瓷骨架，得到陶瓷‑金属仿生纳米复合材料。本发明的复合材料具有轻质、高强、导热、导电、耐磨等特点，有望作为结构材料，有助于减轻结构件的重量并延长其使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种轻质高强结构材料技术领域，特别是涉及一种陶瓷-金属仿生纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

轻质高强结构材料具有密度低、力学性能优异的特点，对于交通运输、航空航天等工程应用领域的发展具有重要意义，并且可有效缓解当前能源紧张、污染严重的紧张局势。

镁及镁合金具有质量轻、比刚度和比强度高、机械加工性能好、原料丰富的特点，是极具潜力的结构材料。但是，镁及镁合金表现出的低弹性模量和高温强度、不耐磨以及耐腐蚀性能差等局限性严重限制了它们的工业化发展。

在金属基体中加入陶瓷增强相制备陶瓷-金属复合材料是解决上述问题一种有效的途径。然而，鉴于陶瓷材料固有的脆性，以及陶瓷和金属之间的润湿性差，现有的陶瓷-金属复合材料的强化往往是建立在大大牺牲材料的塑性之上，且强化效率有限。

MAX相材料(诸如Ti₃AlC₂和Ti₂AlC)属于金属陶瓷，其综合了陶瓷和金属的诸多优点，如低密度、高模量、良好的导电(导热)性、抗热震性以及优良的抗高温氧化性能等，且特定MAX相陶瓷材料和相应金属的组合可有效解决陶瓷与金属之间界面结合弱的问题。因此，MAX相陶瓷是镁及镁合金极具潜力的增强相材料。

关于MAX相材料增强的镁及镁合金基复合材料，检索到的相关技术如下：

第一种相关技术：通过将商用的镁合金(AZ91D)在坩埚中升温至熔化，随后再降温至450-550℃达到镁合金的半固态并开启搅拌功能。将MAX陶瓷相粉体加入到高速搅拌的半固态镁合金熔体中。重新加热到680-750℃并搅拌10-30min后，再降温到半固态。然后，将熔体浇注到不锈钢模具中保压50-100MPa，冷却至室温得到坯料。将坯料置于中频感应线圈中进行二次加热，当坯料达到半固态状态后，取出坯料并放入压铸机和挤压铸造机的压室或锻压机的模具型腔中，然后将此半固态坯料进行压力成型，制备出活塞。

第二种相关技术：把预热到60℃的具有耐磨自润滑性能的Ti₃SiC₂陶瓷粉体加入到高速搅拌的半固态AE44镁合金中，将熔体升温到700℃保温10min，再次降温到500℃获得半固态坯料。将温度为500℃的坯料置入压力机，采用0.05-0.5mm/s的速度热反挤压获得气管状气缸套毛坯，对其依次进行粗车、粗镗、车工艺外圆、精镗以及精车外圆、粗珩磨、精珩磨以及平台珩磨，得到镁基气缸套成品。

第三种相关技术：通过将粉末冶金或搅拌铸造制备的Ti₂AlC-Mg基复合材料在400-450℃热处理10-36h使Mg合金均匀固溶化。然后在250-320℃，以不同的挤压比和0.5-20mm/s的速率制备出定向织构化Ti₂AlC-Mg基复合材料。

上述MAX相材料增强的镁及镁合金基复合材料的制备技术主要是通过搅拌铸造或粉末冶金制备坯料，再通过后续变形加工实现MAX相粉体在镁或镁合金基体中的定向，制备得到具有定向结构的陶瓷-金属复合材料。