【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于铝基复合材料制备，具体涉及纳米颗粒分散装置及利用纳米颗粒分散装置制备原位纳米al2o3颗粒增强铝基复合材料的方法。
技术介绍
1、铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、比弹性模量，同时还具有较好的耐磨、耐高温性能，因此受到了广泛的关注。常用的颗粒增强铝基复合材料制备技术有粉末冶金法和铸造法两种工艺，机械搅拌铸造法工艺简单，操作方便，可以生产大体积的复合材料，设备投入少，生产成本低，生产效率高，适宜大规模生产，可实现工业化应用，但是机械搅拌铸造法加入纳米增强颗粒时，纳米颗粒分布不均匀、纳米增强颗粒与基体界面结合性不好、机械搅拌容易卷气等问题制约着机械搅拌铸造法的广泛应用。
2、颗粒增强铝基复合材料的性能与增强颗粒的尺寸有很大关系，目前广泛使用的颗粒大都在1～30um之间。研究表明，增强颗粒尺寸越小越分散，则对基体塑性的降低越少，这是因为小颗粒不仅自身结构缺陷很少，而且其周围还具有更高的热错配密度，因此纳米颗粒对铝基金属表现出良好的强化作用。通常所说的纳米颗粒是指至少在一个维度上小于100纳米的颗粒，但是由于纳米颗粒与铝基体之间润湿性差、纳米颗粒表面能高而易自发团聚、机械搅拌时不能使所有纳米颗粒受到的剪切力均大于颗粒间的范德华力等因素，导致机械搅拌铸造法难以制备出纳米颗粒在基体中均匀分散的复合材料，当纳米颗粒团聚时会导致复合材料的性能大为降低。因此，如何低成本、高效率地解决纳米颗粒在铝基体中宏观均匀分散的问题成为铝基复合材料研究的关键点。
3、文献(journal of alloys and co
4、高能超声法是一种将微米颗粒分散至铝合金熔体的有效方法，其原理是利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流效应，以引起力学效应中的搅拌、分散、除气等作用来促进纳米颗粒混入铝合金熔体，改善纳米颗粒与铝合金熔体间的润湿性，迫使纳米颗粒在铝合金熔体中均匀分散。但是高能超声法是一种在铝合金熔体表面对铝合金熔体局部处理的分散方法，超声分散时在熔体中产生大量的空化气泡，空化气泡具有对熔体有精炼作用，因此在超声过程中被气体包裹的纳米颗粒易浮到铝合金熔体的表面或沉到铝合金熔体的底部，从而不易使纳米颗粒均匀分散至整个铝合金熔体中，因此高能超声法不利于批量制备高体积分数的纳米颗粒增强铝基复合材料。当铝合金熔体外加超声作用时，超声波变幅杆的端部必须伸入到铝合金熔体的内部，这样会使变幅杆急剧升温，变幅杆端部的高温腐蚀和空化腐蚀而使铝合金熔体的成分受到污染，因此难以对熔体进行长时间的超声作用，一次超声只能对少量铝合金熔体起作用，最终导致利用高能超声法制备纳米颗粒增强铝基复合材料时生产效率低。
5、申请公布号为cn114029483a的专利中的一种颗粒分散装置由输送机、气体射流器和弥散型透气砖组成，该装置利用气体送粉的方式向铝合金熔体中加入颗粒，利用透气砖进行分散，将100nm～10μm的颗粒均匀分散到铝合金熔体中，但是该颗粒分散装置的组成较为复杂、制作成本较高、操作较复杂，需要消耗大量气体，且向熔体中通入气体时容易使铝合金熔体中的颗粒上浮。
6、因此，专利技术一种能够低成本地解决纳米颗粒在铝合金熔体中分散不均匀问题的装置具有重要意义。
技术实现思路
1、为了解决铝合金熔体中纳米颗粒分布不均匀的问题，本专利技术提供一种在铝合金中分散纳米颗粒的装置，本专利技术同时提供一种原位纳米氧化铝颗粒增强铝基复合材料的制备方法。纳米颗粒分散装置能够解决现有技术中纳米颗粒在难以分散的问题；利用煅烧高岭土和铝原位生成纳米氧化铝，解决了向铝合金熔体中加入纳米氧化铝时，纳米氧化铝和基体界面结合性不好、外加纳米氧化铝成本较高的问题。
2、本专利技术中纳米颗粒分散装置能够在铝合金熔体中将纳米颗粒分散的原理如下：煅烧高岭土是一种很容易破碎成纳米颗粒的白色粉末，通过半固态机械搅拌能够将煅烧高岭土加入到铝合金熔体中，但是加入之后煅烧高岭土是团聚的状态，因为纳米颗粒表面能较高，所以仅靠机械搅拌难以克服所有纳米颗粒之间的范德华力。使用本专利技术中的纳米颗粒分散装置时，是将装置的主体部分浸没到铝合金熔体的液面以下，单孔板、孔塞、多孔板和圆筒四部分围成一个圆柱形的封闭空间，单孔板和孔塞分离时，向上提拉单孔板能使坩埚中的铝合金熔体通过单孔板上的大孔进入封闭空间中，当孔塞堵住单孔板上的大孔时，向下按压单孔板会使封闭空间的体积变小，迫使封闭空间中的铝合金熔体从多孔板上的小通孔中出来。当铝合金熔体通过多孔板上的通孔时，处于通孔内的铝合金熔体受到的压力与处于通孔外受到的压力不同，铝合金熔体从通孔内出来时受到压力瞬间减小，这个过程使局部铝合金熔体在微观上受到交变压力的作用，交变压力使粘附煅烧高岭土的铝合金熔体渗入到煅烧高岭土纳米颗粒之间，从而使煅烧高岭土纳米颗粒分开。同时，根据伯努利原理，圆筒相当于粗管道，多孔板上的小通孔相当于细管道，当铝合金熔体从粗管道流入细管道时，流速会增大，所以处在通孔内的铝合金熔体流速较大，处在封闭空间外的铝合金熔体流速接近静止，在铝合金熔体从通孔快速出来时，铝合金熔体会与通孔外静止的铝合金熔体发生熔体混合，在混合时，流速大的熔体与静止的熔体的接触面上会产生局部撕扯力，足够的熔体混合次数即可将铝合金熔体中全部团聚的纳米颗粒分散开。当铝合金熔体具有有一定的黏度时，有黏性的铝合金熔体快速通过多孔板上的通孔时会受到撕扯力，对铝合金熔体局部撕扯能够使组织疏松、容易破碎成纳米颗粒的煅烧高岭土均匀分散到铝合金熔体中。
3、本专利技术提高煅烧高岭土和铝合金熔体润湿性的原理如下：铝合金熔体处于半固态区间时，对半固态铝合金熔体进行机械搅拌的同时加入煅烧高岭土，处于半固态状态的铝合金熔体粘度增大，能够粘附粉体，可有效地将混粉带入熔体中，从而改善粉体与铝合金熔体的润湿性。煅烧高岭土(al2o3·2sio2)为非晶、无定型、结构疏松的脱水铝硅酸盐矿物质，煅烧高岭土加入铝合金熔体之前经过较高温度的预热，将煅烧高岭土预热到较高温度，减少了在煅烧高岭土与铝合金熔体接触时煅烧高岭土颗粒表面的熔体凝固，有利于于在半固态下加入更多煅烧高岭土，因为煅烧高岭土颗粒表面上的熔体凝固后较难粘附煅烧高岭土，因此通过提高煅烧高岭土的预热温度能够提高煅烧高岭土和铝合金熔体的润湿性。向铝合金熔体中加入5～10％si的硅有利于控制铝合金熔体的温度处于其半固态区间内，有利于机械搅拌加粉，同时在铝合金熔体中加入少量的镁，能够使铝合金熔体在半固态下生本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米颗粒分散装置，其特征在于，该装置由单孔板、孔塞、多孔板、圆筒以及若干固定杆组成，纳米颗粒分散装置使用时，将圆筒浸没到坩埚中的铝合金熔体的液面以下，单孔板、孔塞、多孔板在圆筒的内部，单孔板、孔塞、多孔板和圆筒四个部件组成一个封闭空间；其中多孔板在位于圆筒底端，单孔板上有一个固定杆，该固定杆能够使单孔板在圆筒中独立上下运动；孔塞上也有一个固定杆，该固定杆能够使孔塞在圆筒中独立上下运动；孔塞上的固定杆从单孔板上的大孔中穿过，使孔塞能够便于堵住单孔板上的大孔，向上提拉孔塞时，孔塞能够紧密堵住单孔板上的大孔，向下按孔塞时，孔塞从大孔中出来；当单孔板和孔塞分离时，向上提拉单孔板能使坩埚中的铝合金熔体通过单孔板上的大孔进入封闭空间中，当孔塞堵住单孔板上的大孔时，向下按压单孔板会使封闭空间的体积变小，迫使封闭空间中的铝合金熔体从多孔板上的小通孔中出来，使粘附煅烧高岭土的铝合金熔体渗入到煅烧高岭土纳米颗粒之间，从而使煅烧高岭土纳米颗粒分开，均匀分散到铝合金熔体中。
2.如权利要求1所述的一种纳米颗粒分散装置，其特征在于，单孔板、孔塞、多孔板和圆筒均采用石墨或陶瓷材料制作；单
3.如权利要求1所述的一种纳米颗粒分散装置，其特征在于，圆筒部件在铝合金熔体中的位置由两根固定杆控制，两根固定杆的一端绑到圆筒的两侧，另一端在电阻炉外的利用夹具竖直着夹持；单孔板、孔塞、多孔板和固定杆的连接方式是在固定杆上攻出螺纹，单孔板、孔塞和多孔板上分别打个孔，使用螺母将其固定到固定杆上，螺母上涂上耐高温胶以防止螺母被铝合金熔体侵蚀；圆筒和固定杆的连接方式是先采用不锈钢制卡箍将固定杆绑到圆筒上，再在不锈钢制卡箍表面涂上耐高温胶以防止被侵蚀。
4.如权利要求1所述的一种纳米颗粒分散装置，其特征在于，当使用高为140～150mm，内径为90～100mm，外径为120～130mm的坩埚时，单孔板和多孔板是圆片，多孔板是一种由石墨制作的有多个通孔的圆片，圆片直径为40～50mm，圆片厚度为5～10mm，小通孔在圆片上呈环形阵列分布，小通孔的数量为30～40个，两个小通孔之间的中心间距为4～7mm，小通孔的形状是圆形孔等，小通孔的直径为0.5～3mm；多孔板的边缘进行倒角，倒直角后最边缘部位的厚度为0.5～1.5mm；单孔板是一种由石墨制作的上面有一个较大通孔的圆片，圆片直径为40～50mm，单孔板上的大孔为锥形，大孔的中心与圆片中心的位置距离为10～12cm，大孔的上部孔径为9～10mm，大孔的下部孔径为12～16mm；多孔板的边缘进行倒角，倒直角后最边缘部位的厚度为0.5～1.5mm；孔塞的形状是圆锥台，上底边缘直径为8～9mm，下底边缘直径为11～15mm，高度为4～8mm；圆筒是圆柱筒，圆筒壁厚为3～6mm，外径50～60mm，高度50～60mm。
5.一种利用如权利要求1所述的纳米颗粒分散装置制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，将高岭土过筛，筛网的目数为100～200目；对高岭土煅烧以去除结晶水的煅烧温度在500～900℃，煅烧时间为2～5h。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在将煅烧高岭土加入半固态铝合金熔体之前将煅烧高岭土高温预热，预热温度为600～800℃；步骤(3)中，将纯铝锭和铝硅中间合金锭配置成含硅的铝合金，硅含量占得到的铝合金熔体质量的5～7wt.％；铝锭熔化后升温到700～750℃，保温10～15min后再加入镁；向铝合金熔体中加入镁，镁的加入量占得到的铝合金熔体质量的0.1～0.2wt.％。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)和(6)中，精炼剂C2Cl6用量为得到的铝合金熔体质量的0.3～0.5wt.％，精炼时，铝合金熔体的温度为680～710℃，精炼后，将铝合金熔体在710～730℃静置10～15min。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，机械搅拌时控制铝合金熔体处于半固态，铝合金熔体温度在585～610℃，搅拌桨的转速为400～700rad/min；将占铝合金熔体质量1～5wt.％的煅烧高岭土缓慢加入到半固态铝合金熔体中；步骤(5)中，将分散装置放入铝合金熔体之前要对纳米颗粒分散装置预热，纳米颗粒分散装置在600～700℃下预热3～5min，使用纳米颗粒分散装置时铝合金熔体的温度处于610～690℃，对铝合金熔体中的纳米颗粒分散处理10～15min。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征...
【技术特征摘要】
1.一种纳米颗粒分散装置，其特征在于，该装置由单孔板、孔塞、多孔板、圆筒以及若干固定杆组成，纳米颗粒分散装置使用时，将圆筒浸没到坩埚中的铝合金熔体的液面以下，单孔板、孔塞、多孔板在圆筒的内部，单孔板、孔塞、多孔板和圆筒四个部件组成一个封闭空间；其中多孔板在位于圆筒底端，单孔板上有一个固定杆，该固定杆能够使单孔板在圆筒中独立上下运动；孔塞上也有一个固定杆，该固定杆能够使孔塞在圆筒中独立上下运动；孔塞上的固定杆从单孔板上的大孔中穿过，使孔塞能够便于堵住单孔板上的大孔，向上提拉孔塞时，孔塞能够紧密堵住单孔板上的大孔，向下按孔塞时，孔塞从大孔中出来；当单孔板和孔塞分离时，向上提拉单孔板能使坩埚中的铝合金熔体通过单孔板上的大孔进入封闭空间中，当孔塞堵住单孔板上的大孔时，向下按压单孔板会使封闭空间的体积变小，迫使封闭空间中的铝合金熔体从多孔板上的小通孔中出来，使粘附煅烧高岭土的铝合金熔体渗入到煅烧高岭土纳米颗粒之间，从而使煅烧高岭土纳米颗粒分开，均匀分散到铝合金熔体中。
2.如权利要求1所述的一种纳米颗粒分散装置，其特征在于，单孔板、孔塞、多孔板和圆筒均采用石墨或陶瓷材料制作；单孔板和多孔板的边缘与圆筒内壁之间有0.3～0.6mm的缝隙；多孔板底面距离圆筒的底端1～5mm。
3.如权利要求1所述的一种纳米颗粒分散装置，其特征在于，圆筒部件在铝合金熔体中的位置由两根固定杆控制，两根固定杆的一端绑到圆筒的两侧，另一端在电阻炉外的利用夹具竖直着夹持；单孔板、孔塞、多孔板和固定杆的连接方式是在固定杆上攻出螺纹，单孔板、孔塞和多孔板上分别打个孔，使用螺母将其固定到固定杆上，螺母上涂上耐高温胶以防止螺母被铝合金熔体侵蚀；圆筒和固定杆的连接方式是先采用不锈钢制卡箍将固定杆绑到圆筒上，再在不锈钢制卡箍表面涂上耐高温胶以防止被侵蚀。
4.如权利要求1所述的一种纳米颗粒分散装置，其特征在于，当使用高为140～150mm，内径为90～100mm，外径为120～130mm的坩埚时，单孔板和多孔板是圆片，多孔板是一种由石墨制作的有多个通孔的圆片，圆片直径为40～50mm，圆片厚度为5～10mm，小通孔在圆片上呈环形阵列分布，小通孔的数量为30～40个，两个小通孔之间的中心间距为4～7mm，小通孔的形状是圆形孔等，小通孔的直径为0.5～3mm；多孔板的边缘进行倒角，倒直角后最边缘部位的厚度为0.5～1.5mm；单孔板是一种由石墨制作的上面有一个较大通孔的圆片，圆片直径为40～50mm，单孔板上的大孔为锥形，大孔的中心与圆片中心的位置距离为10～12cm，大孔的上部孔径为9～10mm，大...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，李蒙蒙，赵玉涛，张振亚，李雯，李泽培，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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