CN100402691C - 含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料 - Google Patents

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Abstract

含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，它属于金属基复合材料领域。针对现有复合材料存在增强相与基体的润湿性差、增强相和基体以及基体中的合金元素会发生严重的界面反应和热塑性变形能力较差的不足，本发明的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料由SnO2涂层、陶瓷增强相和铝或镁基体三种成分组成，其中陶瓷增强相的体积占总体积的15～50%，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的2～20%。该复合材料可以通过物理或化学方法实现陶瓷增强相表面的SnO2涂覆。SnO2涂覆后可以提高增强相与基体的润湿性，抑制增强相与基体的界面反应，还可以降低复合材料的热塑性变形温度，减少复合材料热加工的成本，热变形后复合材料仍有很好的力学性能。

Description

含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料
技术领域：
本发明属于金属基复合材料领域。
背景技术：
金属基复合材料既能发挥金属和陶瓷各自的优势，又在材料的成分、组织和性能上具有很大的可设计性，因此金属基复合材料虽问世已有30多年，仍保持极高的生命力。近年来，陶瓷相增强金属，尤其是增强铝基或镁基复合材料受到越来越多的重视。该材料具有高强度、高模量和低热膨胀系数等优良的性能，并可用传统的加工、成型方法进行二次加工，因而作为一种新型结构材料，在航空航天、汽车制造以及普通工程领域具有广泛的应用前景。虽然复合材料商业性应用正在出现，但是复合材料中陶瓷增强相和基体润湿性较差，而且，增强相和基体以及基体中的合金元素会发生严重的界面反应，这不仅损伤了增强相的完整性，并可能在界面形成脆性相，影响复合材料的力学性能，同时也降低材料的稳定性和可靠性。另外，复合材料的热塑性变形能力较差，特别是晶须增强的复合材料在热塑性变形过程中会导致晶须的大量折断，使复合材料的力学性能显著下降，这都严重地制约了复合材料商业化的应用前景。为了提高复合材料的整体性能，势必需要改善陶瓷增强相与基体的界面。在已有的各种途径中，增强相表面改性处理是获得良好界面以及优化界面反应的一个行之有效的方法。
发明内容：
针对现有复合材料存在增强相与基体的润湿性差、增强相和基体以及基体中的合金元素会发生严重的界面反应和热塑性变形能力较差的不足，提供一种含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，该复合材料可以通过物理或化学方法实现陶瓷增强相表面的SnO2涂覆。SnO2涂覆后不仅可以提高增强相与基体的润湿性，抑制增强相与基体的界面反应，而且还可以降低复合材料的热塑性变形温度，减少复合材料热加工的成本，因而热变形后复合材料仍有很好的力学性能。本发明的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料由SnO2涂层、陶瓷增强相和铝或镁基体三种成分组成，其中陶瓷增强相的体积占总体积的15～50％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的2～20％。
本发明具有以下优点：(1)SnO2涂覆陶瓷增强相后改变了复合材料界面的原始结合状态，提高了增强相与基体的润湿性及界面结合强度。(2)陶瓷增强相表面涂覆SnO2抑制了增强相与基体发生反应所造成的增强相的损伤，对复合材料的物理、力学性能产生一定的影响。(3)通过涂覆量以及后续的热处理控制界面的反应程度，实现提高增强相与基体界面性能的目的。(4)SnO2与铝或镁发生反应，反应方程式为：3SnO2+4Al→2Al2O3+3Sn，SnO2+2Mg→2MgO+Sn，生成分布在增强相和基体的界面上低熔点金属Sn，生成的金属Sn熔点为231.9℃，且在基体中的固溶度小，因而低熔点的金属Sn分布在增强相和基体的界面上，这有助于复合材料进行热塑性变形，在高于231℃进行热塑性变形时，界面的Sn变成液体起到润滑作用，从而降低变形温度和加工成本，减少增强相的损伤，提高复合材料热塑性变形能力。和增强相表面没有涂覆SnO2的复合材料相比，本发明不但提高了复合材料的热塑性变形能力，而且还明显地降低复合材料的热塑性变形温度，减少了复合材料热加工的成本，同时也减少了陶瓷增强相的损伤，使铝基或镁基复合材料经热塑性变形后仍具有优良的力学性能。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料由SnO2涂层、陶瓷增强相和铝或镁基体三种成分组成，其中陶瓷增强相的体积占总体积的15～50％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的2～20％。首先在陶瓷增强相的表面用溶胶-凝胶、共沉淀、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)等方法涂覆SnO2；然后用已涂覆好的增强相制备铝基或镁基复合材料。所述陶瓷增强相为颗粒、晶须、纤维中的一种或几种的混合物，其中颗粒为锂霞石、Al2O3、SiC、Si3N4、AlN、TiC等中的一种或几种的混合，晶须为9Al2O3·2B2O3(Al18B4O33)、2MgO·B2O3(Mg2B2O5)、SiC、AlN、Si3N4、ZnO、CaSO4、CaCO3等中的一种或几种的混合，纤维为莫莱石、玄武岩、SiC等中的一种或几种的混合；基体为纯铝或纯镁以及铝或镁合金。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，陶瓷增强相的体积占总体积的20％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的10％。它是这样制备的：制备10克含SnO2的溶胶，加入硼酸铝晶须100克，搅拌至粘稠，在450～700℃焙烧1～3小时，得到涂覆SnO2的硼酸铝晶须；然后用水将其分散，制成陶瓷增强相体积分数为20％的预制块，将预制块在900～1100℃焙烧1～3小时，随后用挤压铸造法制备铝基复合材料。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，陶瓷增强相的体积占总体积的20％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的5％。它是这样制备的：制备5克含SnO2的溶胶，加入硼酸镁晶须100克，搅拌至粘稠，随后在450～700℃焙烧1～3小时，得到涂覆SnO2的硼酸镁晶须；然后将其用水分散，制成陶瓷增强相体积分数为20％预制块，将预制块在900～1100℃焙烧1～3小时，随后用挤压铸造法制备铝基复合材料。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，陶瓷增强相的体积占总体积的50％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的5％。它是这样制备的：制备5克含SnO2的溶胶，加入Al2O3颗粒100克，搅拌至粘稠，然后制成陶瓷增强相体积分数为50％的预制块，将预制块在1100℃焙烧1小时，随后用挤压铸造法制备铝基复合材料。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，陶瓷增强相的体积占总体积的30％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的5％。它是这样制备的：制备5克含SnO2的溶胶，加入硼酸铝晶须100克，搅拌至粘稠，然后制成陶瓷增强相体积分数为30％预制块，将预制块在900～1100℃焙烧1～3小时，随后用挤压铸造法制备镁基复合材料。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是，陶瓷增强相的体积占总体积的30％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的2.5％。它是这样制备的：制备2.5克含SnO2的溶胶，加入硼酸镁晶须100克，搅拌至粘稠，然后制成陶瓷增强相体积分数为30％预制块，将预制块在900～1100℃焙烧1～3小时，随后用挤压铸造法制备镁基复合材料。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是，陶瓷增强相的体积占总体积的40％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的20％。它是这样制备的：制备20克含SnO2的溶胶，加入SiC颗粒100克，搅拌至粘稠，然后制成陶瓷增强相体积分数为40％的预制块，将预制块在1000℃焙烧1小时，随后用挤压铸造法制备镁基复合材料。

Claims (10)

1.含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于它由SnO2涂层、陶瓷增强相和铝或镁基体三种成分组成，其中陶瓷增强相的体积占总体积的15～50％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的2～20％。
2.根据权利要求1所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于铝基体为纯铝或铝合金。
3.根据权利要求1所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于镁基体为纯镁或镁合金。
4.根据权利要求1所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于陶瓷增强相为颗粒、晶须、纤维中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求4所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于所述颗粒为锂霞石、Al2O3、SiC、Si3N4、AlN、TiC中的一种或几种的混合。
6.根据权利要求4所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于所述晶须为9Al2O3·2B2O3、2MgO·B2O3、SiC、AlN、Si3N4、ZnO、CaSO4、CaCO3中的一种或几种的混合。
7.根据权利要求4所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于所述纤维为莫莱石、玄武岩、SiC中的一种或几种的混合。
8.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于陶瓷增强相的体积占总体积的40％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的20％。
9.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于陶瓷增强相的体积占总体积的20％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的10％。
10.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料，其特征在于陶瓷增强相的体积占总体积的30％，SnO2的加入量占陶瓷增强相质量的2.5％。
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