CN110042353B - 一种纳米叠层铝基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米叠层铝基复合材料及制备方法，属于铝基复合材料制备领域，本设计首先利用物理气相沉积技术，在氩气氛围下磁控共溅射Al和陶瓷材料，在Al合金箔基片双层表面各形成陶瓷颗粒为纳米尺寸的2μm厚复合层；然后再利用高温扩散粘结技术制备叠层Al基复合层板材；该发明的优点：在Al合金箔片上采用磁控共溅射Al和陶瓷材料，使陶瓷相达到纳米尺度且均匀分布于Al基体中，同时避免复合材料中常见的气孔、杂质等缺陷，另外还可通过高温退火控制陶瓷相颗粒尺寸及分布以改变材料的性能；采用高温扩散粘结技术对优化后的叠层周期、层厚比及叠层数进行粘合，可使气相沉积得到的复合结构薄膜强度进一步提高，并大大拓展了其在宏观领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料领域的技术，具体是涉及一种纳米叠层铝基复合材料及制备方法。
背景技术
铝基复合材料因其性能由铝合金基片、颗粒增强相共同决定，从而兼具金属材料的高韧性，和陶瓷材料的高硬度、高耐磨性，成为现代材料发展的重要方向，在航空航天、交通运输、电子电器等领域有着广泛的应用和巨大的前景。
经过多年的发展，铝基复合材料的制备已逐渐成熟，但现有工艺存在陶瓷增强相颗粒尺寸大，微观组织不均匀，并且在制备过程中常混入气泡、杂质等问题，这主要是由于传统制备工艺下陶瓷相无法做到均匀且高品质的添加，虽然气相（化学）沉积可以实现陶瓷相原子级别的添加，但由于薄膜空间尺度的狭小，在应用领域方法又受到极大的限制。
叠层材料可以通过不同组元间的调制周期及层厚比以此获得比同种成分的复合材料更优异的性能，但叠层的优化及连接，由于涉及影响因素众多而变得复杂，所以真实的叠层材料因制备工艺不同而使得其性能分散性很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米叠层铝基复合材料及制备方法，能够实现陶瓷相添加的均匀性和尺寸控制，又可实现多元薄层的组合；其中制备过程中TiN陶瓷相在膜中分布均匀，同时便于控制复合膜中的成分比且膜层与基片结合紧密；提高复合材料的性能；此外还能避免复合材料中常见的气孔、杂质等缺陷；此外还有一点就是能够大大提升复合材料预制板的保温时间。
纳米叠层TiN/铝基复合材料通过以下技术方案实现的：
一种基于气相沉积技术和高温扩散粘结技术的纳米叠层铝基复合材料的制备。具体包括以下步骤：
步骤一：首先将铝合金箔表面进行清洗，在酒精、丙酮、酒精溶液中依次超声清洗10min后，清理基板表面的污垢然后吹干；将清洗后的铝合金箔固定于真空室内的工作台上；
步骤二：在真空或保护气氛围下，以99.99%的高纯度铝和高纯度TiN陶瓷作为靶材。通过控制磁控溅射功率使得薄膜中TiN颗粒含量在5～10at.%之间；
步骤三：当设备本底真空达到2×10-3Pa后,在真空室内通入纯度为99.99%的氩气为工作气体。随后开启射频磁控溅射电源对铝合金箔进行铝和TiN陶瓷共溅射沉积；
步骤四：铝合金箔表面各镀覆2μmTiN与铝组成的双层薄膜，作为复合材料预制板；
步骤五：对得到的复合材料预制板在酒精溶液中进行清洗，清理表面污垢，干燥处理；
步骤六：将至少两片所述步骤五制得的复合材料预制板放置于真空热压炉中，采用压头对样品施加8MPa的压力，并在保持这一压力的条件下加热，至温度达到450℃，温度保持时间1h后断电冷却至温度低于80℃取出获得高性能的微纳叠层铝基复合材料。
优选地，所述步骤一中的铝合金箔采用商用的双光面厚度为30μm铝合金箔。
优选地，所述铝合金箔中，铝的含量高于80%，合金含量少于20%。
优选地，所述步骤二中沉积的工艺条件为气压0.4Pa，基体偏压为 250V。
优选地，所述步骤四中的双层薄膜与铝合金箔的层厚比为0.13。
优选地，所述步骤六中的纳米叠层铝基复合材料层数为12层。
本发明的有益效果在于在铝合金箔片上采用磁控共溅射铝和陶瓷材料，使陶瓷相达到纳米尺度且均匀分布于铝基体中，同时避免复合材料中常见的气孔、杂质等缺陷，另外还可通过高温退火控制陶瓷相颗粒尺寸及分布，进而改变材料的性能；采用高温扩散粘结技术对优化后的叠层周期、层厚比及叠层数进行粘合，可使气相沉积得到的复合结构薄膜强度进一步提高，并大大拓展了其在宏观领域的应用。
在制备过程中，便于控制复合膜中的成分比且膜层与基片结合紧密；同时利用高温扩散技术可以有效的将多层膜粘结在一起，还可以在粘结过程中控制TiN颗粒尺寸，提高复合材料的性能；将多元薄层的结合形成复合板材，拓展了薄膜的应用范围。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
图2为本发明的纳米叠层纵向结构示意图。
图3为本发明的纳米叠层横向结构。
具体实施方式
实施例1
（1）对厚度为30μm的商用的双光面铝合金箔表面进行预处理，要求铝的含量高于80%，合金含量少于20%，采用酒精、丙酮、酒精溶液中依次超声清洗10min后，清理基板表面的污垢然后吹干，固定于真空室内的工作台上，机器干燥。
（2）在真空或保护气氛围下，以99.99%的高纯度铝和高纯度TiN的陶瓷作为靶材。
（3）当设备本底真空达到2×10-3Pa后,在真空室内通入纯度为99.99%的氩气为工作气体。随后开启射频磁控溅射电源进行铝和TiN陶瓷共溅射沉积，沉积的工艺条件为：气压0.4Pa，基体偏压为 250V。
（4）沉积后，使铝合金箔表面各镀覆2μm的TiN与铝组成的双层薄膜，作为复合材料预制板。
（5）对得到的多个复合材料预制板在酒精溶液中进行清洗，清理表面污垢，并且干燥处理。
（6）由于复合层是镀有一定梯度成分的铝合金箔，所以可在氩气环境下对其进行扩散粘结，将12片两面镀有TiN/铝双层薄膜铝合金箔的预制板放置于真空热压炉中，采用压头对样品施加8MPa的压力，并在保持这一压力的条件下加热，至温度达到450℃。温度保持时间1h后断电冷却至温度低于80℃取出获得高性能的微纳叠层铝基复合材料。
Claims (6)
1.一种纳米叠层铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：首先将铝合金箔表面进行清洗，在酒精、丙酮、酒精溶液中依次超声清洗10min后，清理基板表面的污垢然后吹干；将清洗后的铝合金箔固定于真空室内的工作台上；
步骤二：在真空或保护气氛围下，以99.99%的高纯度铝和高纯度TiN陶瓷作为靶材，通过控制磁控溅射功率使得薄膜中TiN颗粒含量在5～10at.%之间；
步骤三：当设备本底真空达到2×10-3Pa后,在真空室内通入纯度为99.99%的氩气为工作气体，
随后开启射频磁控溅射电源对铝合金箔进行铝和TiN陶瓷共溅射沉积；
步骤四：铝合金箔表面各镀覆2μmTiN与铝组成的双层薄膜，作为复合材料预制板；
步骤五：对得到的复合材料预制板在酒精溶液中进行清洗，清理表面污垢，干燥处理；
步骤六：将至少两片所述步骤五制得的复合材料预制板放置于真空热压炉中，采用压头对样品施加8-10MPa的压力，并在保持这一压力的条件下加热，至温度达到400-450℃，温度保持时间1h后断电冷却至温度低于80℃取出获得高性能的纳米叠层铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的纳米叠层铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的铝合金箔采用商用的双光面厚度为30μm铝合金箔。
3.根据权利要求2所述的纳米叠层铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铝合金箔中，铝的含量高于80%，合金含量少于20%。
4.根据权利要求1所述的纳米叠层铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中沉积的工艺条件为气压0.4Pa，基体偏压为 250V。
5.根据权利要求1所述的纳米叠层铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤四中的双层薄膜与铝合金箔的层厚比为0.13。
6.根据权利要求1所述的纳米叠层铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤六中的纳米叠层铝基复合材料层数为12层。
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| GR01 | Patent grant | ||
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