CN105861904B - 一种B4C/Al复合材料的制备方法 - Google Patents

一种B4C/Al复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种B4C/Al复合材料的制备方法，涉及一种复合材料的制备方法。本发明是要解决现有方法制备的B4C/Al复合材料的增强体体积分数范围窄，复合材料的力学性能差的问题。方法：一、称料：称取B4C粉末和含铝材料；二、混料：将B4C粉末和含铝材料放入球磨罐中，得到混合粉末；三、干燥：将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥；四、制备：将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具烧结，随炉冷却，即得到B4C/Al复合材料。该方法制备的复合材料的增强体体积分数能在很大范围内变化，制备时间能够大幅缩减，使复合材料制备效率大幅提高，力学性能优异。本发明用于铝基复合材料领域。

Description

一种B4C/Al复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法。
背景技术
铝基复合材料的研究开始于上个世纪50年代。近20年来，在理论上和技术上都取得了较大的成就。作为密度最小的常用陶瓷材料，碳化硼有望使复合材料的比模量和比强度比有大幅提高。目前对于B4C/Al复合材料主要的制备工艺主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法、喷射沉积法等。这些方法各有优势，但是通过上述方法制备的B4C/Al复合材料有如下不足：1)制备过程较长、成本较高、耗能较大；2)传统方法制备的B4C/Al复合材料的体积分数受到严格限制，一般是制备体积分数较低的复合材料。上述缺点严重阻碍B4C/Al复合材料的大规模制备和应用。所以，找到一种的更加快捷、高效制备B4C/Al复合材料的方法，显得尤为重要。
现有工艺方法制备的B4C/Al复合材料的增强体体积分数范围窄，复合材料的力学性能差。
发明内容
本发明是要解决现有方法制备的B4C/Al复合材料的增强体体积分数范围窄，复合材料的力学性能差的问题，提供一种B4C/Al复合材料的制备方法。
本发明B4C/Al复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
一、称料：按体积分数称取10％-85％的B4C粉末和15％-90％的含铝材料；所述B4C粉末的粒径为1-30μm，所述含铝材料为铝粉或铝合金粉；
二、混料：将B4C粉末和含铝材料放入球磨罐中，利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末；球料比为(3-5):1，球磨机的转速为200-500r/min，球磨时间为1-5小时；
三、干燥：将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30℃恒温，干燥时间为24-48小时；
四、制备：将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结；烧结前炉内抽真空至2Pa，施加轴向压力为40-50MPa，以100℃/min升温至440-600℃并保温5min，然后随炉冷却，即得到B4C/Al复合材料。
本发明的有益效果：
本发明选用SPS方法制备B4C/Al复合材料，为制备B4C/Al复合材料找到了崭新的方法，能制备组织均匀的B4C/Al复合材料。
1、本发明方法制备的B4C/Al复合材料的增强体体积分数能在很大范围内变化(10％-85％)，可有多种选择。
2、本发明方法的制备时间能够大幅缩减，在数十分钟内即可完成B4C/Al复合材料的烧结，使B4C/Al复合材料制备效率大幅提高。
3、本发明制备出的B4C/Al复合材料力学性能优异。所制备的B4C/2024Al复合材料经过T6处理后其最高弯曲强度超过了1100MPa。
附图说明
图1为试验一制备的B4C/2024Al复合材料三点弯曲断口形貌；
图2为试验二制备的B4C/2024Al复合材料三点弯曲断口形貌；
图3为试验三制备的B4C/1060Al复合材料三点弯曲断口形貌。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式B4C/Al复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
一、称料：按体积分数称取10％-85％的B4C粉末和15％-90％的含铝材料；
二、混料：将B4C粉末和含铝材料放入球磨罐中，利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末；
三、干燥：将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30℃恒温，干燥时间为24-48小时；
四、制备：将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结；施加轴向压力为40-50MPa，以100℃/min升温至440-600℃并保温5min，然后随炉冷却，即得到B4C/Al复合材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述B4C粉末的粒径为1-30μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述含铝材料为铝粉或铝合金粉；其中铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。其它与具体实施方式一或二 相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中按体积分数称取10％的B4C粉末和90％的含铝材料。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中按体积分数称取85％的B4C粉末和15％的含铝材料。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中按体积分数称取45％的B4C粉末和55％的含铝材料。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中按体积分数称取55％的B4C粉末和45％的含铝材料。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中球磨的球料比为(3-5):1，球磨机的转速为200-500r/min，球磨时间为1-5小时。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中球磨的球料比为4:1，球磨机的转速为300-400r/min，球磨时间为2-3小时。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中施加轴向压力为45MPa。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤四中以100℃/min升温至480～500℃。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤四中以100℃/min升温至540℃。其它与具体实施方式一至十之一相同。
为验证本发明的有益效果进行以下试验：
试验一：体积分数为10％的B4C/2024Al复合材料的制备方法是按以下步骤实现：
一、称料：按体积分数称取10％的B4C粉末和90％的2024Al粉末，B4C粉末的粒径为4.5μm。
二、混料：将称好的料放入球磨罐中利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末；球料比为3:1，球磨机的转速为400r/min，球磨时间为2.5小时。
三、干燥：将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30℃恒温，干燥时间36小时。
四、制备：将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结。烧结前炉内真空至2Pa，对粉末施加轴向压力为40MPa、以100℃/min升温至440℃并保温5min，制备好的复合材料随炉冷却后取出。
对本试验制备的体积分数为10％的B4C/2024Al复合材料进行三点弯曲实验，所制备的B4C/2024Al复合材料经过T6处理后其弯曲强度达到了1060MPa。图1为其弯曲断口形貌的SEM照片，从可以看出，复合材料烧结致密，B4C颗粒分布均匀，可以看到断口存在大量撕裂棱，断裂方式为准解理断裂。
试验二：体积分数为45％的B4C/2024Al复合材料的制备方法是按以下步骤实现：
一、称料：按体积分数称取85％的B4C粉末和15％的2024Al粉末，B4C粉末的粒径为4.5μm。
二、混料：将称好的料放入球磨罐中利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末。球料比为4:1，球磨机的转速为400r/min，球磨时间为2.5小时。
三、干燥：将混好的粉末取出，将粉末放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30℃恒温，干燥时间48小时。
四、制备：将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结。烧结前炉内真空至2Pa，对粉末施加轴向压力为45MPa、以100℃/min升温至580℃并保温5min，制备好的复合材料随炉冷却后取出。
对本试验制备的体积分数为45％的B4C/2024Al复合材料进行三点弯曲实验，所制备的B4C/2024Al复合材料经过T6处理后其弯曲强度达到了940MPa。图2为其弯曲断口形貌的SEM照片，从可以看出，复合材料烧结致密，B4C颗粒分布均匀，可以看到断口存在大量撕裂棱，断裂方式为准解理断裂。
试验三：体积分数为85％的B4C/1060Al复合材料的制备方法是按以下步骤实现：
一、称料：按体积分数称取85％的B4C粉末和15％的1060Al粉末，B4C粉末的粒径为17.5μm。
二、混料：将称好的料放入球磨罐中利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末。球料比为5:1，球磨机的转速为400r/min，球磨时间为2.5小时。
三、干燥：将混好的粉末取出，将粉末放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30℃恒温，干燥时间24-48小时。
四、制备：将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结。烧结前炉内真空至2Pa，对粉末施加轴向压力为50MPa、以100℃/min升温至600℃并保温5min，制备好的复合材料随炉冷却后取出。
对本试验制备的体积分数为85％的B4C/1060Al复合材料进行三点弯曲实验，所制备的B4C/1060Al复合材料经过T6处理后其弯曲强度达到了380MPa。图3为其弯曲断口形貌，从中可以看出，断裂方式为脆性断裂。得到了用传统方法很难制得的高体积分数B4C/1060Al复合材料。

Claims (9)

1.一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、称料：按体积分数称取10％-85％的B4C粉末和15％-90％的含铝材料；
二、混料：将B4C粉末和含铝材料放入球磨罐中，利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末；
三、干燥：将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30℃恒温，干燥时间为24-48小时；
四、制备：将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结；施加轴向压力为40-50MPa，以100℃/min升温至440-600℃并保温5min，然后随炉冷却，即得到B4C/Al复合材料；
步骤二中球磨的球料比为(3-5):1，球磨机的转速为200-500r/min，球磨时间为1-5小时。
2.根据权利要求1所述的一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述B4C粉末的粒径为1-30μm。
3.根据权利要求1所述的一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述含铝材料为铝粉或铝合金粉；其中铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。
4.根据权利要求1所述的一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数称取45％的B4C粉末和55％的含铝材料。
5.根据权利要求1所述的一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数称取55％的B4C粉末和45％的含铝材料。
6.根据权利要求1所述的一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中球磨的球料比为4:1，球磨机的转速为300-400r/min，球磨时间为2-3小时。
7.根据权利要求1所述的一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中施加轴向压力为45MPa。
8.根据权利要求1所述的一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中以100℃/min升温至480～500℃。
9.根据权利要求1所述的一种B4C/Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中以100℃/min升温至540℃。
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