CN104385716B - 一种金属树脂复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属树脂复合材料及其制备方法，涉及材料技术领域，复合材料包括金属基体材料和表面涂层，其中金属基体材料为Al‑Ti合金，表面涂层为树脂涂层，包括以下质量含量的各个组分：改性有机硅树脂30‑50份；硅酸铝纤维3‑12份；纳米氧化锡4‑9份；纳米氧化锌3‑8份；增强纤维4‑10份；硅烷偶联剂3‑9份；固化剂5‑10份。本发明提供的金属树脂复合材料，是铝钛合金‑有机硅树脂复合材料，通过在铝钛合金表面模压一层树脂层，不仅能够有效保证了材料的韧性，而且也克服了铝钛合金易氧化和强度低的缺陷，使得复合材料同时具有高韧性和高强度的性能，能够应用于机械制造、航空航天等领域。

Description

一种金属树脂复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种金属基体复合材料及该复合材料的制备方法。
背景技术
金属树脂复合材料，是以金属为基体材料，在基体材料表面覆有一层树脂层的复合材料。复合材料的性质和性能与基体材料和树脂层的性质直接相关。
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。
根据合金材料的不同，铝合金可分为铝铁合金、铝硅合金、铝镁合金和铝铜合金等，各种合金的性能也不尽相同，铝钛合金是一种较为少见的合金，因以铝和钛为主要成分的合金，其延展性较好但是强度较差，因此，其使用范围较小，并不广泛。鉴于铝钛合金的优良的延展性和韧性，通过对铝钛合金的强度进行改进是提高铝钛合金应用前景的有效方式。
目前，对铝钛合金的强度进行改进的方式有两种：
第一种方式是添加其他合金材料，通过其他金属元素或者化合物来提高材料的强度。这种改进方式能够有效提高材料的强度，但是存在两方面问题：一方面，材料的强度得到提高，但是合金材料的致密度降低，材料的韧性也降低；第二，铝钛合金在铝含量较高时，合金中的铝极易被氧气氧化，生成氧化铝膜，降低材料的性能。
第二种方式是对铝钛合金表面进行处理，以提高其强度，包括进行合金涂层的处理，这种涂层方式能够在提高合金材料的强度的同时，避免合金中的铝被氧化，从而影响其性能。
针对第二种方式，选用的不同的涂层进行处理，效果也不尽相同，复合涂层即要根据基体材料的性质进行选择，也需要尽可能的提高其性能。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对上述不足，克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种金属树脂复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案：一种金属树脂复合材料，包括金属基体材料和表面涂层，
其中金属基体材料为Al-Ti合金，其中Al与Ti的原子比为3-9:1；
表面涂层为树脂涂层，厚度为1-200um，其包括以下质量含量的各个组分：改性有机硅树脂30-50份；硅酸铝纤维3-12份；纳米氧化锡4-9份；纳米氧化锌3-8份；增强纤维4-10份；硅烷偶联剂3-9份；固化剂5-10份。
作为优选，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的一种。
作为优选，固化剂为过氧化二异丙苯或乙烯基三胺。
作为优选，固化剂为过氧化二异丙苯。
一种金属树脂复合材料的制备方法，制备步骤如下：
（1）将Al粉和Ti粉放置于铸造炉中进行高温熔炼，而后对合金液进行压铸成型，压力25-80MPa，成型后冷却，即制备得到Al-Ti合金基体材料；
（2）将Al-Ti合金基体材料放入模具中，用砂纸对合金表面进行精磨；
（3）制备表面涂层材料，在容器中加入表面涂层材料的各个组分，超声搅拌均匀之后，倒入合金基体材料表面，铺平；
（4）模压成型，温度95-110℃，压力5-20MPa，时间20-40min，冷却后取出，即制备得到金属树脂复合材料。
作为优选，步骤（4）模压成型的温度为105℃，压力10MPa。
有益效果：本发明提供的金属树脂复合材料，是以铝钛合金为基础材料，通过调整铝和钛的比例，使得合金材料达到理想的韧性和延展性，利于加工和使用。同时，为有效改善材料的强度和抗氧化性能，在铝钛合金表面模压一层树脂层，其中，树脂以有机硅树脂为主体树脂，加入硅酸铝纤维和增强纤维，提高树脂层的强度；纳米氧化锌和纳米氧化锡的加入，纳米形态的粒子可有效改善树脂层的致密度和性能，同时通过氧化锌和固化剂的协同作用，可有效提高树脂的固化性能。因此，本发明提供的金属树脂复合材料，是铝钛合金-有机硅树脂复合材料，通过在铝钛合金表面模压一层树脂层，不仅能够有效保证了材料的韧性，而且也克服了铝钛合金易氧化和强度低的缺陷，使得复合材料同时具有高韧性和高强度的性能，能够应用于机械制造、航空航天等领域。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解， 这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例 1：
一种金属树脂复合材料，包括金属基体材料和表面涂层，
其中金属基体材料为Al-Ti合金，其中Al与Ti的原子比为9:1；
表面涂层为树脂涂层，其包括以下质量含量的各个组分：改性有机硅树脂30份；硅酸铝纤维3份；纳米氧化锡4份；纳米氧化锌3份；碳纤维4份；硅烷偶联剂3份；过氧化二异丙苯固化剂5-10份。
根据本发明提供的制备方法制备上述金属树脂复合材料，步骤如下：
（1）将Al粉和Ti粉放置于铸造炉中进行高温熔炼，而后对合金液进行压铸成型，压力60MPa，成型后冷却，即制备得到Al-Ti合金基体材料；
（2）将Al-Ti合金基体材料放入模具中，用1000#砂纸对合金表面进行精磨；
（3）制备表面涂层材料，在容器中加入表面涂层材料的各个组分，超声搅拌均匀之后，倒入合金基体材料表面，铺平；
（4）模压成型，温度105℃，压力10MPa，时间20min，冷却后取出，即制备得到金属树脂复合材料。
经检测，树脂层的厚度为50um。
实施例 2：
一种金属树脂复合材料，包括金属基体材料和表面涂层，
其中金属基体材料为Al-Ti合金，其中Al与Ti的原子比为8:1；
表面涂层为树脂涂层，其包括以下质量含量的各个组分：改性有机硅树脂50份；硅酸铝纤维12份；纳米氧化锡9份；纳米氧化锌8份；碳纤维10份；硅烷偶联剂9份；过氧化二异丙苯固化剂10份。
根据本发明提供的制备方法制备上述金属树脂复合材料，步骤如下：
（1）将Al粉和Ti粉放置于铸造炉中进行高温熔炼，而后对合金液进行压铸成型，压力60MPa，成型后冷却，即制备得到Al-Ti合金基体材料；
（2）将Al-Ti合金基体材料放入模具中，用1000#砂纸对合金表面进行精磨；
（3）制备表面涂层材料，在容器中加入表面涂层材料的各个组分，超声搅拌均匀之后，倒入合金基体材料表面，铺平；
（4）模压成型，温度105℃，压力10MPa，时间25min，冷却后取出，即制备得到金属树脂复合材料。
经检测，树脂层的厚度为70um。
实施例 3：
一种金属树脂复合材料，包括金属基体材料和表面涂层，
其中金属基体材料为Al-Ti合金，其中Al与Ti的原子比为6:1；
表面涂层为树脂涂层，其包括以下质量含量的各个组分：改性有机硅树脂42份；硅酸铝纤维9份；纳米氧化锡5份；纳米氧化锌5份；玻璃纤维7份；硅烷偶联剂6份；乙烯基三胺固化剂7份。
根据本发明提供的制备方法制备上述金属树脂复合材料，步骤如下：
（1）将Al粉和Ti粉放置于铸造炉中进行高温熔炼，而后对合金液进行压铸成型，压力60MPa，成型后冷却，即制备得到Al-Ti合金基体材料；
（2）将Al-Ti合金基体材料放入模具中，用1000#砂纸对合金表面进行精磨；
（3）制备表面涂层材料，在容器中加入表面涂层材料的各个组分，超声搅拌均匀之后，倒入合金基体材料表面，铺平；
（4）模压成型，温度105℃，压力5-20MPa，时间25min，冷却后取出，即制备得到金属树脂复合材料。
经检测，树脂层的厚度为65um。
实施例4：
一种金属树脂复合材料，包括金属基体材料和表面涂层，
其中金属基体材料为Al-Ti合金，其中Al与Ti的原子比为3:1；
表面涂层为树脂涂层，其包括以下质量含量的各个组分：改性有机硅树脂40份；硅酸铝纤维8份；纳米氧化锡6份；纳米氧化锌5份；芳纶纤维7份；硅烷偶联剂8份；过氧化二异丙苯固化剂6份。
根据本发明提供的制备方法制备上述金属树脂复合材料，步骤如下：
（1）将Al粉和Ti粉放置于铸造炉中进行高温熔炼，而后对合金液进行压铸成型，压力60MPa，成型后冷却，即制备得到Al-Ti合金基体材料；
（2）将Al-Ti合金基体材料放入模具中，用1000#砂纸对合金表面进行精磨；
（3）制备表面涂层材料，在容器中加入表面涂层材料的各个组分，超声搅拌均匀之后，倒入合金基体材料表面，铺平；
（4）模压成型，温度105℃，压力10MPa，时间30min，冷却后取出，即制备得到金属树脂复合材料。
经检测，树脂层的厚度为95um。
实施例5：
一种金属树脂复合材料，包括金属基体材料和表面涂层，
其中金属基体材料为Al-Ti合金，其中Al与Ti的原子比为7:1；
表面涂层为树脂涂层，其包括以下质量含量的各个组分：改性有机硅树脂45份；硅酸铝纤维10份；纳米氧化锡6份；纳米氧化锌7份；增强纤维6份；硅烷偶联剂6份；固化剂5-10份。
作为优选，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的一种。
作为优选，固化剂为过氧化二异丙苯或乙烯基三胺。
作为优选，固化剂为过氧化二异丙苯。
根据本发明提供的制备方法制备上述金属树脂复合材料，步骤如下：
（1）将Al粉和Ti粉放置于铸造炉中进行高温熔炼，而后对合金液进行压铸成型，压力25-80MPa，成型后冷却，即制备得到Al-Ti合金基体材料；
（2）将Al-Ti合金基体材料放入模具中，用1000#砂纸对合金表面进行精磨；
（3）制备表面涂层材料，在容器中加入表面涂层材料的各个组分，超声搅拌均匀之后，倒入合金基体材料表面，铺平；
（4）模压成型，温度110℃，压力20MPa，时间30min，冷却后取出，即制备得到金属树脂复合材料。
经检测，树脂层的厚度为90um。
对上述具体实施方式得到的复合材料进行强度和韧性的性能测试，结果如表1所示：
表1 金属树脂复合材料强度和韧性性能测定
由上表可知，实施例1-5的强度和韧性受到铝钛原子比和树脂层厚度的双重影响，在原子比较低和树脂层厚度较高时，强度和韧性呈现较高的水平，在原子比为7:1，树脂层厚度为90um时，强度和韧性达到最高。
综上所述，本发明提供的金属树脂复合材料具有良好的韧性和强度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种金属树脂复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
（1）将Al粉和Ti粉放置于铸造炉中进行高温熔炼，而后对合金液进行压铸成型，压力25-80MPa，成型后冷却，即制备得到Al-Ti合金基体材料；
其中，Al与Ti的原子比为3-9:1；
（2）将Al-Ti合金基体材料放入模具中，用砂纸对合金表面进行精磨；
（3）制备表面树脂涂层材料，包括以下质量份数的各个组分：改性有机硅树脂30-50份、硅酸铝纤维3-12份、纳米氧化锡4-9份、纳米氧化锌3-8份、增强纤维4-10份、硅烷偶联剂3-9份和固化剂5-10份，在容器中加入表面涂层材料的各个组分，超声搅拌均匀之后，倒入合金基体材料表面，铺平；
（4）模压成型，温度95-110℃，压力5-20MPa，时间20-40min，冷却后取出，树脂涂层厚度为1-200μm，即制备得到金属树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的金属树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）模压成型的温度为105℃，压力10MPa。
3.根据权利要求1所述的金属树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中增强纤维为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的一种。
4.根据权利要求1所述的金属树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中固化剂为过氧化二异丙苯或乙烯基三胺。
5.根据权利要求4所述的金属树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中固化剂为过氧化二异丙苯。
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