一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法技术

一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法，将SiO2粉末、水、硼酸、聚丙烯酸铵、羧甲基纤维素加入到水中，混合后配制成SiO2陶瓷浆料；将聚氨酯泡沫浸入到SiO2陶瓷浆料中进行真空浸渍挂浆，干燥后进行烧结，再于800～1100℃下，置入熔融铝液中，保温20min～240min。由于采用了原位反应，所以此种材料中的氧化铝增强体与铝基体界面清晰，结合良好；反应生成的氧化铝陶瓷保持了反应前网络氧化硅陶瓷的外观和结构；形成的氧化铝网络陶瓷作为增强体，在铝基体中连续分布，能够有效分散载荷，提高氧化铝/铝复合材料的强度；形成的网络氧化铝增强体相对于铝基体更加坚硬，能够有效改善氧化铝/铝复合材料的耐磨性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，涉及一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法。
技术介绍
铝合金具有密度小，比强度高，易成形等优点,是交通运输行业实现轻量高速目标的理想金属材料之一，在工业领域得到了广泛应用。进一步强化铝合金性能的途径在于形成复合材料,如:颗粒强化、纤维强化等。但是传统的复合方法存在着一些问题：1).分散不均，容易团聚，造成材料的性能不稳定；2).各向异性(纤维强化)，材料不同取向的性能不相同；3).增强体三维空间内不连续，增强效果有待提高；4).陶瓷增强体的加入量存在一个上限；近年来，三维网络陶瓷增强铝合金作为一种新型复合材料得到了关注。三维网络复合材料中，增强体与金属呈现双连续结构，二者在三维空间相互交织贯通，作为增强体的网络陶瓷在三维空间分布均匀，各向同性，能将集中应力迅速分散传递，从而使复合材料的力学性能得到提高。三维网络陶瓷增强铝合金复合材料利用氧化铝陶瓷的高硬度、高模量、高强度、低密度的同时，发挥了铝合金基体韧性好的作用，使复合材料的综合性能得到进一步提高。由于Al对Al2O3陶瓷的润湿性比较差(1050℃、10-4Pa真空条件下，Al2O3陶瓷与Al之间的润湿角为90.5°)，所以用Al2O3陶瓷与Al直接复合，易造成界面结合不紧密，出现气孔等缺陷，严重影响复合材料的性能。已有研究表明，原位反应制备的复合材料的基体与增强体间相容性良好，界面结合强度高。国内外关于原位反应制备复合材料的研究并不鲜见，例如，利用SiO2颗粒(粉末)在铝(铝合金)液中原位反应生成Al2O3陶瓷颗粒增强相。但是，此种方法存在反应形成的增强体颗粒分布不均的问题。虽然采用各种搅拌方式，但是氧化硅粉末并不能在金属铝中实现均匀分布，而且在高温下，氧化硅在搅拌时就已开始与铝液发生反应，造成复合材料的成分分布不均，影响了复合材料的性能，重要的是，所形成的复合材料非三维网络复合材料，增强体间未形成连接，实为颗粒增强复合材料。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的问题，本专利技术目的在于提供一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法，该方法制备的复合材料由于氧化铝增强体与铝基体界面清晰，结合良好，所以具有良好的力学性能和耐磨性能。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法，包括以下步骤：(1)SiO2陶瓷浆料的制备：将SiO2粉末、水、硼酸、聚丙烯酸铵、羧甲基纤维素加入到水中，混合均匀后配制成SiO2陶瓷浆料；其中，SiO2粉末与水的质量比为3:(1～2)；SiO2粉末与硼酸的质量比为：(10～20):1；SiO2粉末与聚丙烯酸铵的质量比为(10～16):1；SiO2粉末与羧甲基纤维素的质量比为(200～250):1；(2)聚氨酯泡沫的预处理：将聚氨酯泡沫在NaOH溶液中浸泡后，除去聚氨酯泡沫筋间薄膜，再浸入PVA溶液中进行活化处理；(3)挂浆：将经步骤(2)预处理过的聚氨酯泡沫浸入到SiO2陶瓷浆料中进行真空浸渍挂浆，然后干燥，得到干燥后的坯体；(4)SiO2陶瓷的烧结：将干燥后的坯体进行烧结，得到SiO2网络陶瓷；(5)Al2O3/Al复合材料的制备：在氩气气氛下，将SiO2网络陶瓷浸入熔融铝液中，并在800～1100℃下保温20min～240min后冷却至室温，得到三维贯通Al2O3/Al复合材料。步骤(1)中SiO2粉末的粒径为200目。步骤(1)混合均匀是通过湿磨实现的。步骤(2)中聚氨酯泡沫孔洞数为10ppi～50ppi。步骤(2)中将聚氨酯泡沫浸泡在质量分数为20％的NaOH溶液中，浸泡的时间为5h。步骤(2)中PVA溶液的质量分数为5％；活化处理是在60℃下进行的，活化处理的时间为24h。步骤(3)中真空浸渍挂浆的真空度为-0.1MPa，浸渍的时间为5～10分钟。步骤(4)中烧结的具体条件为：先以1℃/min的升温速率自室温升温至400℃，保温1h；然后，以5℃/min的升温速率升温至1200℃，保温3h后冷却至室温。步骤(5)中，氩气流量为20mL/min～30mL/min。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术通过网络氧化硅陶瓷与铝在一定温度下发生反应，在铝中生成网络氧化铝陶瓷，形成三维贯通Al2O3/Al复合材料。由于采用了原位反应，所以此种材料中的氧化铝增强体与铝基体界面清晰，结合良好；反应生成的氧化铝陶瓷保持了反应前网络氧化硅陶瓷的外观和结构；形成的网络氧化铝陶瓷作为增强体，在铝基体中的结构、分布、质量分数可通过制备相应的氧化硅陶瓷坯体进行设计和控制；形成的氧化铝网络陶瓷作为增强体，在铝基体中连续分布，能够有效分散载荷，提高氧化铝/铝复合材料的强度；形成的网络氧化铝增强体相对于铝基体更加坚硬，能够有效改善氧化铝/铝复合材料的耐磨性；除此之外，生成的单质硅位于基体中，形成典型的铝-硅合金组织，对铝基体有一定的强化作用。附图说明图1为实施例7中SiO2网络陶瓷宏观形貌。图2为实施例7的三维贯通Al2O3/Al复合材料宏观图照片。图3为实施例7的三维贯通Al2O3/Al复合材料微观形貌图(二次电子形貌)。图4为实施例7的三维贯通Al2O3/Al复合材料微观形貌图(背散射电子形貌)。图5为实施例7的三维贯通Al2O3/Al复合材料XRD衍射图。具体实施方式下面结合附图通过具体实施例的形式对本专利技术作进一步说明。实施例1(1)SiO2陶瓷浆料的制备：称取70g分析纯200目的SiO2粉末，称取7gH3BO3，称取0.3g羧甲基纤维素，量取30mL水，量取4.9mL聚丙烯酸铵，将称量的材料混合并搅拌均匀后倒入混料瓶中，加入陶瓷球在混料机上湿磨24h，得到SiO2陶瓷浆料；(2)聚氨酯泡沫的预处理：取孔洞数为10ppi聚氨酯泡沫在质量分数为20％的NaOH溶液中浸泡5h后，揉去聚氨酯泡沫筋间薄膜，再浸入质量分数为5％的PVA溶液中在60℃下活化处理24h。(3)挂浆：将预处理过的聚氨酯泡沫浸入SiO2陶瓷浆料中进行真空浸渍挂浆，真空度为-0.1MPa，浸渍时间为5分钟，挂浆后取出坯体，在室温常压下进行干燥，得到干燥后的坯体。(4)SiO2陶瓷的烧结：将干燥后的坯体送入常压空气炉中烧结，具体的烧结工艺为：先以1℃/min的升温速率自室温升温至400℃，保温1h；然后，以5℃/min的升温速率升温至1200℃，保温3h后冷却至室温，得到SiO2网络陶瓷；(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)SiO2陶瓷浆料的制备：将SiO2粉末、水、硼酸、聚丙烯酸铵、羧甲基纤维素加入到水中，混合均匀后配制成SiO2陶瓷浆料；其中，SiO2粉末与水的质量比为3:(1～2)；SiO2粉末与硼酸的质量比为：(10～20):1；SiO2粉末与聚丙烯酸铵的质量比为(10～16):1；SiO2粉末与羧甲基纤维素的质量比为(200～250):1；(2)聚氨酯泡沫的预处理：将聚氨酯泡沫在NaOH溶液中浸泡后，除去聚氨酯泡沫筋间薄膜，再浸入PVA溶液中进行活化处理；(3)挂浆：将经步骤(2)预处理过的聚氨酯泡沫浸入到SiO2陶瓷浆料中进行真空浸渍挂浆，然后干燥，得到干燥后的坯体；(4)SiO2陶瓷的烧结：将干燥后的坯体进行烧结，得到SiO2网络陶瓷；(5)Al2O3/Al复合材料的制备：在氩气气氛下，将SiO2网络陶瓷浸入熔融铝液中，并在800～1100℃下保温20min～240min后冷却至室温，得到三维贯通Al2O3/Al复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法，其特征在于，包括以下步
骤：
(1)SiO2陶瓷浆料的制备：将SiO2粉末、水、硼酸、聚丙烯酸铵、羧甲基纤维素加入
到水中，混合均匀后配制成SiO2陶瓷浆料；其中，SiO2粉末与水的质量比为3:(1～2)；SiO2粉末与硼酸的质量比为：(10～20):1；SiO2粉末与聚丙烯酸铵的质量比为(10～16):1；SiO2粉末与羧甲基纤维素的质量比为(200～250):1；
(2)聚氨酯泡沫的预处理：将聚氨酯泡沫在NaOH溶液中浸泡后，除去聚氨酯泡沫筋间
薄膜，再浸入PVA溶液中进行活化处理；
(3)挂浆：将经步骤(2)预处理过的聚氨酯泡沫浸入到SiO2陶瓷浆料中进行真空浸渍
挂浆，然后干燥，得到干燥后的坯体；
(4)SiO2陶瓷的烧结：将干燥后的坯体进行烧结，得到SiO2网络陶瓷；
(5)Al2O3/Al复合材料的制备：在氩气气氛下，将SiO2网络陶瓷浸入熔融铝液中，并
在800～1100℃下保温20min～240min后冷却至室温，得到三维贯通Al2O3/Al复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法，其
特征在于，步骤(1)中SiO2粉末的粒径为200目。
3.根据权利要求1所述的一种利用原位反应制备三维贯通Al2O3/Al复合材料的方法，其
特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑可正，李红伟，黄治文，景胜，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61