CN104458495A - 颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于颗粒增强金属基复合材料成分分析技术领域，具体涉及一种陶瓷颗粒增强体在陶瓷颗粒增强金属基复合材料中体积分数的测量方法，解决现有技术中由于未获得复合材料的真实体积，导致增强体颗粒的宏观含量不够准确等问题。采用密度测量和溶解法两者相结合的方法：通过考虑复合材料中孔隙率的影响，测量复合材料的真实密度，获得复合材料的真实体积；而溶解法能够获得增强体颗粒的宏观真实体积，最终得到实际的增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量。运用本发明方法测量增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量具有结果真实准确、操作简便实用的特点，对于精确控制增强体颗粒在金属基复合材料中的含量，获得成分稳定可靠的材料具有实际意义。

Description

颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法

技术领域

本发明属于颗粒增强金属基复合材料成分分析技术领域，具体涉及一种陶瓷颗粒增强体在陶瓷颗粒增强金属基复合材料中体积分数的测量方法。

背景技术

自上世纪60年代颗粒增强金属基复合材料出现至今，由于其具有的高比强度、比刚度、抗疲劳、抗蠕变、耐热、耐磨、高热导、低热膨胀等诸多优点,在航空航天、电子信息、汽车、高速机械等军事和民用领域获得日益广泛的应用，其制备方法主要包括真空熔炼法、粉末冶金法、浸渗法以及喷射沉积法等。从商业制造成本和工艺复杂程度方面考虑，目前多采用真空熔炼法和粉末冶金法。

加拿大的Alcan公司建立了用搅拌熔铸法制造颗粒增强铝基复合材料的工厂。于1974年建立的美国DWA公司的主要产品为以6092、2009和6063为基体，SiC、B₄C颗粒为增强体的复合材料。其中，DWA复合材料公司与洛克希德·马丁公司以及空军进行合作，将粉末冶金法制备的SiC颗粒增强铝基复合材料用于F-16战斗机的腹鳍，代替了原有的2214铝合金蒙皮，不仅使刚度提高了50％，寿命也由数百小时提高到约8000h。目前美国空军已将这种铝基复合材料腹鳍作为现役F-16战斗机的备用件，正逐步更换^[1]。在20世纪90年代末，SiC颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。普惠公司从PW4084发动机开始，将以DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料(6092/SiC/17.5p-T6)，作为风扇出口导流叶片，用于所有采用PW4000系发动机的波音777上，这种材料具有耐外来物体的冲击、冲蚀性，并且成本下降约三分之一^[2]。美国ARCO化学公司所属的先进复合材料公司ACMC生产的2024/SiC/30-35p铝基复合材料，性能优良，可用来代替Al、Ti等合金制造的飞机结构件，如：直升飞机的起落架、翼前缘加强筋和大的通用正弦形梁。另外，A357/SiC颗粒增强铝基复合材料还可制造飞机液压管、直升飞机的起落架和阀体。洛克希德·马丁公司用碳化硅颗粒制备的2009铝基复合材料成功地制造出先进自喷气战斗机的地垂尾安定面，是目前最大的金属基复合材料的主结构构件^[3]。1985年美国采用Al/SiCp复合材料制成导弹惯性器件仪表壳体，用以替代铍合金和铝合金，并发展为继铝合金、铍合金之后的第三代航天惯性器件。1987～1988年美国ACMC公司与亚利桑那大学光学研究中心合作，采用SiC颗粒增强铝基复合材料研制成超轻量化(ULW)空间望远镜(包括结构桁架部件与反射镜)。ACMC公司用粉末冶金法制造的SiC颗粒增强铝基复合材料还用于激光反射镜、卫星太阳能反射镜、空间遥感器中扫描用高速摆镜等^[3]。近年来，有关高能粒子和射线用铝基复合屏蔽材料的研究受到更加密切的关注，其中B₄Cp/Al合金复合材料由B₄C陶瓷颗粒弥散分布在Al合金基体中，除了拥有颗粒增强铝基复合材料的基本优点之外，还具备优良的热中子吸收性能，是非常好的结构功能一体化材料，适于用作辐射屏蔽材料。已有BorTec^TM,METAMIC^TM和Talborm等多种B₄Cp/Al材料获得美国核能管理委员会(NRC)核准，可以用于制造核废料贮存桶的中子吸收内胆、废燃料棒贮存水池的隔板等^[4]。此种材料的相关性能主要受SiC、B₄C等增强体颗粒含量的影响，可见如何能够准确测量复合材料中增强体颗粒的含量对于控制材料的最终性能起着至关重要的作用。

国内许多科研单位在颗粒增强金属基复合材料领域也开展了很多研究工作。如北京航空材料研究院研制的的颗粒增强铝基复合材料卫星相机零件与原设计材料钛合金相比，质量降低了35％，而且零件的传热性能提高了10倍，已应用于我国的“资源二号”卫星上^[5]。经过十几年辛勤的努力，北京有色金属研究总院已经成功研制出具有高强韧、高刚度、耐疲劳的粉末冶金15-25SiCp/2009A复合材料，此材料可采用挤压、轧制、锻造、机加工等常规加工技术制造出航空航天用大尺寸、形状复杂的零部件^[6]。

参考文献：

[1]碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用，崔岩，材料工程[J]，2002，3-6。

[2]Miracle D B.ASM Handbook(21):Composites[M].Materials Park Ohio:ASMInternational,2001:1043。

[3]颗粒增强铝基复合材料在航空航天领域的应用，金鹏，刘越，李曙，肖伯律，材料导报[J]，vol23(6)，2009，24-27。

[4]金属基复合材料的现状与发展趋势，张荻，张国定，李志强，中国材料进展[J]，vol29(4)，2010，2-6。

[5]颗粒增强铝基复合材料的研究开发与应用，桂满昌，江苏科技信息[J]，2002，(3)：22。

[6]粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用，刘彦强，樊建中，桑吉梅，石力开，材料导报，vol24(12)，2010，18-23。

现有的颗粒增强金属基复合材料中颗粒含量的检测方法根据材料及其增强体颗粒的特性，主要有以下两种：金相法和溶解法。其中，

金相法首先制备金相试样，获取材料在相同放大倍数的连续视场下的一定数量的金相照片以后，采用图像分析软件测定颗粒在二维图像中的面积比值，取其平均值代表三维复合材料中增强体颗粒的体积含量。如：GJB5975-2007《碳化硅颗粒增强铸造铝基复合材料规范》中说明对于碳化硅颗粒含量的测定，采用从单铸试样或铸锭上取面积16mm²～100mm²的试样，制成金相试样，用图像分析法或其它分析***测定碳化硅颗粒在观察视野中的面积，每个测试值应为五个随机视野的平均值。此种方法的局限在于测量的视场为微观视场，不能很好的代表增强体颗粒的宏观含量，并且二维的面积比代表三维的体积比需要对数值进行一定的修正。

溶解法采用腐蚀液将基体合金溶解，收集增强体颗粒并计算体积，但是没有考虑到复合材料的真实体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法，解决现有技术中由于未获得复合材料的真实体积，导致增强体颗粒的宏观含量不够准确等问题。

本发明的技术方案是：

一种颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法，包括如下步骤：

(1)在复合材料的上下两个端面距离中心位置三分之二处选取6～10g形状规则的试样各一个，试样表面用600目水砂纸磨光，然后将其浸泡在无水乙醇中使用超声波清洗1～2min，取出后吹干待用；

(2)使用精确度为万分之一的电子分析天平称量试样的质量，用镊子夹取试样，先在空气中称量试样的质量，再在水中称量试样的质量，每个试样称量3次，取平均值，结果保留小数点后五位有效数字，采用下述公式计算复合材料的真实密度：

ρ_T＝Aρ₀/(A-B)        (1)

ρ_T为复合材料的真密度，单位：g/cm³；

A为样品空气中称质量，单位：g；

B为样品在蒸馏水中称质量，单位：g；

ρ₀为称量时对应温度下蒸馏水密度，单位：g/cm³；

(3)在上述取得的试样上再各自截取2～3个质量为0.5～1.5g的小样，将其浸泡在无水乙醇中使用超声波清洗1min，取出后吹干待用；

(4)然后，使用精确度为万分之一的电子分析天平称量试样的质量，用镊子夹取试样，每个试样称量3次，取平均值，结果保留小数点后五位有效数字，同样称量定量滤纸质量，采用下述公式计算小样的真实体积：

V＝m/ρ_T       (2)

V为复合材料小样的真实体积，单位：cm³；

m为复合材料小样的质量，单位：g；

ρ_T为复合材料的真密度，单位：g/cm³；

(5)用烧杯配制浓度为10～30vol％的硝酸、硫酸或两者的混合溶液，然后将小样分别放入盛有酸溶液的烧杯中盖上玻璃表面皿加热，溶液温度为80～100℃，直至金属基体完全溶解为止；由于增强体颗粒的化学性质稳定，不与酸、碱溶液发生化学反应，被保留下来；

(6)待溶液冷却至低于40℃时或加入去离子水使溶液温度低于40℃，再使用称量后的定量滤纸进行过滤，承装溶液的烧杯最后至少使用去离子水清洗3～4次；同时，冲洗引流玻璃棒，直至观察杯壁及杯底没有增强体颗粒残留为止；然后用去离子水分三次清洗滤纸，保证将滤纸上吸附的溶液冲洗干净；

(7)滤纸干燥后使用万分之一的电子分析天平称量滤纸和陶瓷颗粒的质量，3次取平均值，结果同样保留小数点后五位有效数字，采用下述公式计算陶瓷颗粒的体积：

V_Z＝(m₁-m₂)/ρ_B      (3)

V_Z为小样中增强体颗粒体积，单位：cm³；

m₁为干燥后定量滤纸和增强体颗粒的质量，单位：g；

m₂为定量滤纸的质量，单位：g；

ρ_B为增强体的密度，单位：g/cm³；

(8)采用如下公式计算增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量，结果保留小数点后两位有效数字，最终结果取小样的平均值；

F_v＝V_Z/V×100％      (4)

F_V为陶瓷颗粒在复合材料中的体积含量；

V_Z为小样中增强体颗粒体积，单位：cm³；

V为复合材料小样的真实体积，单位：cm³。

所述的颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法，步骤(6)中，为了加快滤纸的干燥速度，最后使用无水乙醇进行冲洗，然后将滤纸转入清洁的环境中干燥。

所述的颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法，该方法适用于以SiC、B₄C、BN、WC、石墨或金刚石等颗粒状增强相的铝基复合材料。

本发明的优点及有益效果是：

1、针对现有技术中存在的问题，本发明采用密度测量和溶解法两者相结合的方法：通过考虑复合材料中孔隙率的影响，测量复合材料的真实密度，获得复合材料的真实体积；而溶解法能够获得增强体颗粒的宏观真实体积，最终得到实际的增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量。

2、本发明方法适用于以SiC、B₄C、BN、WC、石墨、金刚石等颗粒状增强相的金属基复合材料。

3、运用本发明方法测量增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量具有结果真实准确、操作简便实用的特点，对于精确控制增强体颗粒在金属基复合材料中的含量，获得成分稳定可靠的材料具有实际意义。

附图说明

图1为实施例1的金相图片示意图。

图2为实施例2的金相图片示意图。

具体实施方式

实施例1

针对B₄C陶瓷颗粒增强体在B₄C陶瓷颗粒增强2009铝基复合材料中体积分数的测量方法，包括如下步骤：

1.首先，在复合材料的上下两个端面距离中心位置三分之二处选取6～10g形状规则的试样各一个，试样表面用600目水砂纸磨光，然后将其浸泡在无水乙醇中使用超声波清洗1min，取出后吹干待用。

2.然后，使用精确度为万分之一的电子分析天平称量试样的质量，要求用镊子夹取试样，先在空气中称量试样的质量，再在水中称量试样的质量，每个试样称量3次，取平均值，结果保留小数点后五位有效数字。采用下述公式计算复合材料的真实密度：

ρ_T＝Aρ₀/(A-B)      (1)

ρ_T为复合材料的真密度，三次分别为：2.71683g/cm³、2.71605g/cm³、2.72263g/cm³，平均值2.71851g/cm³；

其中，A为样品空气中称质量，三次分别为：9.13443g、9.13382g、9.13370g；

B为样品在蒸馏水中称质量，三次分别为：5.78095g、5.77959g、5.78763g；

ρ₀为称量时对应温度下蒸馏水密度：0.99742g/cm³。

考虑到复合材料中孔隙率和蒸馏水的浮力，所以称出样品在蒸馏水中质量，获得复合材料的真实密度。

3.在上述取得的试样上再各自截取2～3个质量为0.5～1.5g的小样，将其浸泡在无水乙醇中使用超声波清洗1min，取出后吹干待用。

4.然后，使用精确度为万分之一的电子分析天平称量试样的质量，要求用镊子夹取试样，每个试样称量3次，取平均值，结果保留小数点后五位有效数字，同样称量定量滤纸质量。采用下述公式计算小样的真实体积：

V＝m/ρ_T      (2)

V为复合材料小样的真实体积，三次分别为：0.30652cm³、0.30714cm³、0.30691cm³，平均值0.30686cm³；

其中，m为复合材料小样的质量，三次分别为：0.83328g、0.83496g、0.83434g；

ρ_T为复合材料的真密度：2.71851g/cm³。

5.用200ml的烧杯配制100～150ml浓度为10～30vol％的硝酸，然后将小样分别放入盛有酸溶液的烧杯中盖上玻璃表面皿加热，溶液温度为80～100℃，直至基体铝合金完全溶解为止，此时由于增强体颗粒的化学性质稳定，不与酸、碱溶液发生化学反应，因此被保留下来。

6.待溶液冷却至低于40℃时，再使用称量后的定量滤纸进行过滤，承装溶液的烧杯最后至少使用去离子水清洗3～4次；同时，冲洗引流玻璃棒，直至观察杯壁及杯底没有增强体颗粒残留为止；然后用约150ml去离子水分三次清洗滤纸，保证将滤纸上吸附的溶液冲洗干净。为了加快滤纸的干燥速度，最后使用50ml无水乙醇进行冲洗，然后将滤纸转入清洁的环境中干燥。

7.滤纸干燥后使用万分之一的电子分析天平称量滤纸和B₄C颗粒的质量，3次取平均值，结果同样保留小数点后五位有效数字。采用下述公式计算B₄C颗粒的体积：

V_Z＝(m₁-m₂)/ρ_B       (3)

V_Z为小样中增强体颗粒体积，三次分别为：0.066652cm³、0.066644cm³、0.066652cm³，平均值0.066650cm³；

其中，m₁为干燥后定量滤纸和增强体颗粒的质量，三次分别为：0.40455g、0.40445g、0.40452g；

m₂为定量滤纸的质量，三次分别为：0.23712g、0.23704g、0.23709g；

ρ_B为增强体的密度：2.512g/cm³。

8.采用如下公式计算增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量，结果保留小数点后两位有效数字，最终结果取小样的平均值。

F_v＝V_Z/V×100％        (4)

F_V为B₄C颗粒在复合材料中的体积含量：21.72％；

其中，V_Z为小样中增强体颗粒体积：0.066650cm³；

V为复合材料小样的真实体积：0.30686cm³。

本实施例中，金相图片如图1所示，经过上述方法计算得到B₄C颗粒在复合材料中的体积含量为21.72％。

实施例2

针对B₄C陶瓷颗粒增强体在B₄C陶瓷颗粒增强2009铝基复合材料中体积分数的测量方法，包括如下步骤：

1.首先，在复合材料的上下两个端面距离中心位置三分之二处选取6～10g形状规则的试样各一个，试样表面用600目水砂纸磨光，然后将其浸泡在无水乙醇中使用超声波清洗1min，取出后吹干待用。

2.然后，使用精确度为万分之一的电子分析天平称量试样的质量，要求用镊子夹取试样，先在空气中称量试样的质量，再在水中称量试样的质量，每个试样称量3次，取平均值，结果保留小数点后五位有效数字。采用下述公式计算复合材料的真实密度：

ρ_T＝Aρ₀/(A-B)        (1)

ρ_T为复合材料的真密度，三次分别为：2.73918g/cm³、2.71931g/cm³、2.71839g/cm³，平均值2.72563g/cm³；

其中，A为样品空气中称质量，三次分别为：7.98437g、7.98493g、7.98482g；

B为样品在蒸馏水中称质量，三次分别为：5.07702g、5.05612g、5.05506g；

ρ₀为称量时对应温度下蒸馏水密度：0.99742g/cm³。

考虑到复合材料中孔隙率和蒸馏水的浮力，所以称出样品在蒸馏水中质量，获得复合材料的真实密度。

3.在上述取得的试样上再各自截取2～3个质量为0.5～1.5g的小样，将其浸泡在无水乙醇中使用超声波清洗1min，取出后吹干待用。

4.然后，使用精确度为万分之一的电子分析天平称量试样的质量，要求用镊子夹取试样，每个试样称量3次，取平均值，结果保留小数点后五位有效数字，同样称量定量滤纸质量。采用下述公式计算小样的真实体积：

V＝m/ρ_T      (2)

V为复合材料小样的真实体积，三次分别为：0.23449cm³、0.23448cm³、0.23447cm³，平均值0.23448cm³；

其中，m为复合材料小样的质量，三次分别为：0.63913g、0.63910g、0.63908g；

ρ_T为复合材料的真密度：2.72563g/cm³。

5.用200ml的烧杯配制100～150ml浓度为10～30vol％的硝酸、硫酸或两者的混合溶液，然后将小样分别放入盛有酸溶液的烧杯中盖上玻璃表面皿加热，溶液温度为80～100℃，直至基体铝合金完全溶解为止，此时由于增强体颗粒的化学性质稳定，不与酸、碱溶液发生化学反应，因此被保留下来。

6.加入适量的去离子水使溶液冷却至低于40℃，再使用称量后的定量滤纸进行过滤，承装溶液的烧杯最后至少使用去离子水清洗3～4次；同时，冲洗引流玻璃棒，直至观察杯壁及杯底没有增强体颗粒残留为止；然后用约150ml去离子水分三次清洗滤纸，保证将滤纸上吸附的溶液冲洗干净。为了加快滤纸的干燥速度，最后使用50ml无水乙醇进行冲洗，然后将滤纸转入清洁的环境中干燥。

7.滤纸干燥后使用万分之一的电子分析天平称量滤纸和B₄C颗粒的质量，3次取平均值，结果同样保留小数点后五位有效数字。采用下述公式计算B₄C颗粒的体积：

V_Z＝(m₁-m₂)/ρ_B        (3)

V_Z为小样中增强体颗粒体积，三次分别为：0.043536cm³、0.043547cm³、0.043546cm³，平均值0.043543cm³；

其中，m₁为干燥后定量滤纸和增强体颗粒的质量，三次分别为：0.31545g、0.31543g、0.31551g；

m₂为定量滤纸的质量，三次分别为：0.20609g、0.20604g、0.20612g；

ρ_B为增强体的密度：2.512g/cm³。

8.采用如下公式计算增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量，结果保留小数点后两位有效数字，最终结果取小样的平均值。

F_v＝V_Z/V×100％         (4)

F_V为B₄C颗粒在复合材料中的体积含量：18.57％；

其中，V_Z为小样中增强体颗粒体积：0.043543cm³；

V为复合材料小样的真实体积：0.23448cm³。

本实施例中，金相图片如图2所示，经过上述方法计算得到B₄C颗粒在复合材料中的体积含量为18.57％。

实施例结果表明，本发明将密度测量和溶解法两者有机地结合，既考虑到复合材料中孔隙率的影响，测量复合材料的真实密度，获得复合材料的真实体积；又通过溶解法获得增强体颗粒的宏观真实体积，最终得到实际的增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量。从而，运用本发明方法测量增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量具有结果真实准确、操作简便实用的特点。

Claims (3)

1.一种颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在复合材料的上下两个端面距离中心位置三分之二处选取6～10g形状规则的试样各一个，试样表面用600目水砂纸磨光，然后将其浸泡在无水乙醇中使用超声波清洗1～2min，取出后吹干待用；

(2)使用精确度为万分之一的电子分析天平称量试样的质量，用镊子夹取试样，先在空气中称量试样的质量，再在水中称量试样的质量，每个试样称量3次，取平均值，结果保留小数点后五位有效数字，采用下述公式计算复合材料的真实密度：

ρ_T＝Aρ₀/(A-B)                        (1)

ρ_T为复合材料的真密度，单位：g/cm³；

A为样品空气中称质量，单位：g；

B为样品在蒸馏水中称质量，单位：g；

ρ₀为称量时对应温度下蒸馏水密度，单位：g/cm³；

(3)在上述取得的试样上再各自截取2～3个质量为0.5～1.5g的小样，将其浸泡在无水乙醇中使用超声波清洗1min，取出后吹干待用；

(4)然后，使用精确度为万分之一的电子分析天平称量试样的质量，用镊子夹取试样，每个试样称量3次，取平均值，结果保留小数点后五位有效数字，同样称量定量滤纸质量，采用下述公式计算小样的真实体积：

V＝m/ρ_T                                (2)

V为复合材料小样的真实体积，单位：cm³；

m为复合材料小样的质量，单位：g；

ρ_T为复合材料的真密度，单位：g/cm³；

(5)用烧杯配制浓度为10～30vol％的硝酸、硫酸或两者的混合溶液，然后将小样分别放入盛有酸溶液的烧杯中盖上玻璃表面皿加热，溶液温度为80～100℃，直至金属基体完全溶解为止；由于增强体颗粒的化学性质稳定，不与酸、碱溶液发生化学反应，被保留下来；

(6)待溶液冷却至低于40℃时或加入去离子水使溶液温度低于40℃，再使用称量后的定量滤纸进行过滤，承装溶液的烧杯最后至少使用去离子水清洗3～4次；同时，冲洗引流玻璃棒，直至观察杯壁及杯底没有增强体颗粒残留为止；然后用去离子水分三次清洗滤纸，保证将滤纸上吸附的溶液冲洗干净；

(7)滤纸干燥后使用万分之一的电子分析天平称量滤纸和陶瓷颗粒的质量，3次取平均值，结果同样保留小数点后五位有效数字，采用下述公式计算陶瓷颗粒的体积：

V_Z＝(m₁-m₂)/ρ_B                        (3)

V_Z为小样中增强体颗粒体积，单位：cm³；

m₁为干燥后定量滤纸和增强体颗粒的质量，单位：g；

m₂为定量滤纸的质量，单位：g；

ρ_B为增强体的密度，单位：g/cm³；

(8)采用如下公式计算增强体颗粒在复合材料中的体积百分含量，结果保留小数点后两位有效数字，最终结果取小样的平均值；

F_v＝V_Z/V×100％                           (4)

F_V为陶瓷颗粒在复合材料中的体积含量；

V_Z为小样中增强体颗粒体积，单位：cm³；

V为复合材料小样的真实体积，单位：cm³。

2.按照权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法，其特征在于，步骤(6)中，为了加快滤纸的干燥速度，最后使用无水乙醇进行冲洗，然后将滤纸转入清洁的环境中干燥。

3.按照权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料增强体颗粒体积分数的测量方法，其特征在于，该方法适用于以SiC、B₄C、BN、WC、石墨或金刚石等颗粒状增强相的铝基复合材料。