一种纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将纳米金刚石颗粒加入乙醇中，超声振动分散，然后进行搅拌，边搅拌边加入镁合金粉末，得到混合溶液；(2)将混合溶液离心分散后真空干燥得到混合粉末；(3)将混合粉末进行热挤压处理，得到前驱体棒材；(4)另取镁合金粉末进行熔炼，熔炼过程中通入N2和SF6混合气进行保护，得到基体溶液；(5)将前驱体棒材加入基体溶液中融解，搅拌30min，随后浇铸成坯，热挤压处理，得到挤压态纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料棒材。本发明专利技术制备的复合材料中纳米金刚石颗粒在镁合金基体中分布均匀，具有有效的界面结合，力学性能得到显著改善。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及材料
，特别涉及一种纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法。
技术介绍
镁合金具有高比强度，高阻尼，优异的电磁屏蔽性等一系列优异的特性，从而在军事，航空航天及工业领域逐步得到广泛的应用。但对于镁基复合材料而言，通过选择在各个方面性能优异的硬质增强体添加至金属基体中，再选用合适的工艺进行制备时，能够得到相比基体合金综合性能更为优异的复合材料。在前期的研究中，研究人员选用了不同类型的材料作为增强体，进行了复合材料的制备，包括SiC微米颗粒，硼酸镁/铝晶须等，在选择增强体的过程中，首要的考虑因素为增强体与基体的相容性，即关键的界面效应；无论使用何种制备方式，都要保证增强体与基体的有效界面结合，而不是产生其他的负面效应，如增强体与基体的化学反应生成脆性产物，或者增强体与基体就实现不了有效的界面结合。因为对于金属基复合材料而言，界面在材料的性能中扮演着至关重要的角色。材料的强化效果依赖于通过界面进行载荷有效的传递。韧性受到界面处裂纹偏转的影响，塑性同样受到界面附近处峰值应力的释放。Chu等人在研究碳纳米管增强铜基复合材料时，通过融入金属铬元素有效改善了纳米管与基体铜的界面结合状况，材料的性能得到显著改善。其次，就是增强体的均匀分散性，异质增强体的分散性对材料的性能非常关键。通常采用不同的制备工艺包括搅拌铸造，浸渗法，粉末冶金法等有效分散增强体在基体中的分布。但是对于纳米颗粒，由于超细粉体颗粒间存在的范德华力，静电引力，镜像力产生的静电引力及液桥力等因素，极易产生团聚。因此，在制备纳米颗粒增强镁基复合材料的过程中，既要保证这些超细增强体颗粒在基体中能得到有效的分散，又要保证增强体与基体间实现有效的界面结合，就必然要针对性的采取相应的工艺，从而制备得到合格的材料，以满足其在实际状况下的应用。
技术实现思路
为了解决现有技术的问题，本专利技术实施例提供了一种纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法。所述技术方案如下：一方面，一种纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米金刚石颗粒加入乙醇中，超声振动分散，然后进行搅拌，边搅拌边加入镁合金粉末，得到混合溶液；(2)将步骤(1)得到的混合溶液离心分散后真空干燥得到混合粉末；(3)将步骤(2)得到的混合粉末进行热挤压处理，得到前驱体棒材；(4)另取镁合金粉末进行熔炼，熔炼过程中通入N2和SF6混合气进行保护，得到基体溶液；(5)将步骤(3)制备的前驱体棒材加入基体溶液中融解，搅拌30min，随后浇铸成坯，热挤压处理，得到挤压态纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料棒材。进一步的，以质量比计，步骤(1)和步骤(4)所用的镁合金粉末总量:纳米金刚石颗粒＝100:1。进一步的，步骤(1)和步骤(4)所用的镁合金粉末为Mg-Zn-Zr合金粉末，其中包含5.1wt％锌和0.18wt％锆，其余为镁。进一步的，步骤(5)中热挤压处理的挤压比为15:1，挤压温度523K。进一步的，步骤(3)中热挤压处理的挤压比为15:1，挤压温度523K，热挤压处理后得到直径24mm的前驱体棒材。进一步的，步骤(2)中离心分散的转速为5000r/min，离心时间15min。进一步的，步骤(1)中搅拌转速为300r/min。进一步的，步骤(2)中烘干温度333K，烘干时间3h。进一步的，步骤(1)中超声时间30min。另一方面，一种纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料，以质量百分比计，含有纳米金刚石0.1％、锌5.1％、锆0.18％，其余为镁。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术的纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法，采用粉末冶金制备工艺实现纳米颗粒在镁合金基体中的均匀分散；对于容易团聚的纳米增强体颗粒，采用在液相中进行分散的处理方法；熔融方式处理纳米颗粒与增强体颗粒的界面结合问题。制备得到的纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料中纳米金刚石颗粒在镁合金基体中分布均匀，具有有效的界面结合，力学性能得到显著改善。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例中镁合金粉末颗粒形貌图；图2是本专利技术实施例中纳米金刚石颗粒表面形貌图；图3是本专利技术实施例中纳米金刚石颗粒在基体镁合金中的分散图；图4是本专利技术实施例中纳米金刚石颗粒、基体镁合金及析出相MgZn2相间的界面结合图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例本专利技术的纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料采用如下方法制备得到：称取0.1g纳米金刚石颗粒加入乙醇中，超声振动分散30min，然后使用机械搅拌装置进行搅拌，搅拌转速300r/min，边搅拌边加入25g镁合金粉末，得到混合溶液。将混合溶液以5000r/min，离心分散15min，然后在真空干燥炉中以温度333K烘干3h，得到混合粉末。将混合粉末加入挤压模具中进行热挤压处理，挤压比15:1，挤压温度523K，热挤压处理后得到直径24mm的前驱体棒材。在熔炼炉中对剩余的75g镁合金粉末进行熔炼，熔炼过程中通入N2和SF6混合气进行保护处理，待镁合金粉末成液态状后逐渐开始搅拌，得到基体溶液。将前驱体棒材加入基体溶液中融解，继续搅拌30min，随后浇铸成坯，进一步热挤压处理，挤压比15:1，挤压温度523K，得到挤压态纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料棒材。本专利技术实验中使用镁合金粉末(Mg-Zn-Zr)作为基体，粉末粒度50μm，主要化学成分为5.1wt％Zn，0.18wt％Zr，宏观及微观形貌如图1所示。纳米金刚石颗粒为增强体，粒度大小为6.7nm，微观组织如图2所示。对实验制备得到的挤压态纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料棒材进行组织观察和力学性能测试。通过扫描电镜(SEM)分析增强体颗粒在基体中的分散性(图3)，通过透射电镜(TEM)观察分析基体与纳米颗粒的界面结合行为(图4)。将制备得到的纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料加工成标准拉伸、压缩试样，在电子万能材料实验机上进行了拉伸、压缩测试实验，并得到对应的材料力学性能。由图3可见，纳米颗粒在基体中得到了非常均匀的分布，由此也表明初期的超声分散处理等工艺有效的实现了增强体在基体中的均匀分布。由图4a可见，纳米金刚石颗粒与基体间出现错排，为非共格结构，尽管如此，由图4b可以看到，纳米金刚石颗粒与基体中析出的MgZn2相完全共格，实现了有效的界面结合。纳米金刚石颗粒与基体合金的非共格结构，意味着基体与纳米金刚石颗粒结合效果差，不能实现有效的载荷传递等效应，尽管如此，基体中析出的第二相MgZn2相与纳米金刚石以共格结构搭配，这也从间接上有效的实现了实验中添加的纳米金刚石颗粒可以与基体在除了有效的分散之外，同时能够实现有效的结合，从而能够有效的阻碍材料在变形过程中运动的位错，而大幅度的实现复合材料性能的强化。由此可见，通过本专利技术的制备工艺，有效解决了纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备技术难题。虽然添加了纳米金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纳米金刚石颗粒加入乙醇中，超声振动分散，然后进行搅拌，边搅拌边加入镁合金粉末，得到混合溶液；(2)将步骤(1)得到的所述混合溶液离心分散后真空干燥得到混合粉末；(3)将步骤(2)得到的所述混合粉末进行热挤压处理，得到前驱体棒材；(4)另取镁合金粉末进行熔炼，熔炼过程中通入N2和SF6混合气进行保护，得到基体溶液；(5)将步骤(3)制备的所述前驱体棒材加入所述基体溶液中融解，搅拌30min，随后浇铸成坯，热挤压处理，得到挤压态纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料棒材。

【技术特征摘要】
1.纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纳米金刚石颗粒加入乙醇中，超声振动分散，然后进行搅拌，边搅拌边加入镁合金粉末，得到混合溶液；(2)将步骤(1)得到的所述混合溶液离心分散后真空干燥得到混合粉末；(3)将步骤(2)得到的所述混合粉末进行热挤压处理，得到前驱体棒材；(4)另取镁合金粉末进行熔炼，熔炼过程中通入N2和SF6混合气进行保护，得到基体溶液；(5)将步骤(3)制备的所述前驱体棒材加入所述基体溶液中融解，搅拌30min，随后浇铸成坯，热挤压处理，得到挤压态纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料棒材。2.如权利要求1所述的纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，以质量比计，所述步骤(1)和步骤(4)所用的镁合金粉末总量:纳米金刚石颗粒＝100:1。3.如权利要求2所述的纳米金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(4)所用的镁合金粉末为Mg-Zn-Zr合金粉末，其中包含5.1wt％锌和0.18wt％锆，其余为镁。4.如权利要求3所述的纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国俊，金培鹏，赵磊，李尚鹏，
申请(专利权)人：青海大学，
类型：发明
国别省市：青海,63