CN112453400A - 一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，属于复合材料领域。铝合金/陶瓷复合材料的制备方法以铝合金、钨酸锆、氮化硅(Si3N4)和氮为原料；将熔融状态的铝合金流出后同时含钨酸锆的液氮高速喷出，在液氮的冲击和拉动下是液态铝合金被迅速雾化、冷却逐渐堆砌呈柱状，期间液态铝合金在氮气的冲刷下部分和氮气反应形成陶瓷AlN，同时钨酸锆的添加抵消了铝合金热胀冷缩效应，解决了现有技术中铝合金材料易发生形变的问题，可用于精密仪器、军工、航空航天等对材料尺寸稳定性要求高的领域。同时本发明利用所述加工装置制备复合材料操作方便，大大提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法。
背景技术
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，使铝合金的复合材料研究也随之深入。
纯铝的密度小(ρ＝2.7g/cm3)，大约是铁的1/3，熔点低(660℃)，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性(δ:32～40％，ψ:70～90％)，易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。
一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有简单铝硅合金(不能热处理强化，力学性能较低，铸造性能好)，特殊铝硅合金(可热处理强化，力学性能较高，铸造性能良好)。
然而由于铝合金存在热胀冷缩的问题，在实际应用中容易出现形变，例如铝合金桥架，直线长度较长，由于长时间的高温天气易造成严重的铝合金线缆桥架变形，局部甚至产生拱起现象，当遭遇长时间低温天气，还会产生新的形变。由此可见，铝合金易受温度影响发生形变，给其应用造成较大的障碍。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝合金/陶瓷复合材料及其应用，所述铝合金/陶瓷复合材料不仅具有高强度、高导热性的同时还具有不易形变，对温度变化表现较高的稳定性。
本发明提供了一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将熔融状态的铝合金流出后，被喷出的含钨酸锆的液氮冲刷、雾化、冷却堆砌形成柱状，得到铝合金/陶瓷复合材料；
所述熔融状态的铝合金的流速为0.5～3ml/s；
所述含钨酸锆的液氮的喷出速度以压强计，所述含钨酸锆的液氮的喷出压强为1～5MPa；
所述含钨酸锆的液氮中以标准大气压计，每升氮气中混入钨酸锆5～25g。
优选的，所述制备方法采用铝合金/陶瓷复合材料加工用装置进行；
将铝合金置于坩埚中加热至熔融，将熔融状态的铝合金从铝合金熔体出料口中流出，同时含钨酸锆的液氮从原料供给及冷却装置的喷嘴喷出，熔融状态的铝合金与氮气发生反应，在原料供给及冷却装置的冷却装置作用下形成AlN陶瓷。
优选的，所述每升氮气中混入钨酸锆10～20g。
优选的，所述熔融状态的铝合金的流速为1～2.5ml/s。
优选的，所述含钨酸锆的液氮的喷出压强为2～4MPa。
优选的，所述铝合金为纯度99％以上的纯铝或6系铝合金。
优选的，所述铝合金/陶瓷复合材料还包括Si3N4，所述钨酸锆、Si3N4和所述铝合金中的铝的质量比为25～55：15～42：30～60。
优选的，所述Si3N4和钨酸锆一同被混入液氮中。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，是采用铝合金、钨酸锆和氮为原料，通过将熔融态铝合金在氮气的作用下形成高强、高导热陶瓷AlN，同时通过添加钨酸锆，利用铝合金热胀冷缩和钨酸锆热缩冷胀的特性，使制备的铝合金/陶瓷复合材料最终胀缩效应几乎抵消，得到高强、高导热、低膨胀性的铝合金/陶瓷复合材料。试验表明，所述铝合金/陶瓷复合材料的抗弯强度为560～730MPa，导热系数为80～210W/m·K，在-160～500℃条件下所述铝合金/陶瓷复合材料的热胀冷缩系数为0.15～8.23×10-6K-1，有效解决了现有技术中铝合金材料受温度影响热胀冷缩的问题，为材料尺寸稳定性要求高的领域提供了材料基础。
本发明还具体限定了所述铝合金/陶瓷复合材料的原料还包括Si3N4，所述钨酸锆、Si3N4和所述铝合金中的铝的质量比为25～55：15～42：30～60。本发明通过严格控制Si3N4，与其他种类原料的比例，使形成新的铝合金/陶瓷复合材料，Si3N4起增强作用，具有高模量。本发明制备的含Si3N4的铝合金/陶瓷复合材料的弹性模量为118～246GPa，所述铝合金/陶瓷复合材料具有更高的力学强度和弹性模量。
附图说明
图1是本发明实施例中铝合金/陶瓷复合材料加工用装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中所述原料供给及冷却装置的结构示意图；
图3是本发明实施例所述装置中喷料装置的结构示意图；
其中：1、坩埚；2、加热套；3、铝合金熔体出料口；4、原料供给及冷却装置；41、主料管；42、喷料装置；421、固定块；422、球形轴套；423、缓冲腔；424、喷管；425、驱动装置；43、进料管；5、支架。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，将熔融状态的铝合金流出后，被喷出的含钨酸锆的液氮冲刷、雾化、冷却堆砌形成柱状，得到铝合金/陶瓷复合材料；所述熔融状态的铝合金的流速为0.5～3ml/s；所述含钨酸锆的液氮的喷出速度以压强计，所述含钨酸锆的液氮的喷出压强为1～5MPa；所述含钨酸锆的液氮中以标准大气压计，每升氮气中混入钨酸锆5～25g。
本发明中所述制备方法优选采用铝合金/陶瓷复合材料加工用装置进行。所述装置包括坩埚1，所述坩埚1的外侧设置有加热套2，所述坩埚1的下侧设置有贯穿其底部的铝合金熔体出料口3，所述坩埚1的底部固定有原料供给及冷却装置4，所述原料供给及冷却装置4用于提供铝合金熔炼所缺少的元素并将从铝合金熔体出料口3排出的铝合金进行冷却。进一步的，所述原料供给及冷却装置4通过若干根支架5固定在所述坩埚1的底部。所述装置包括呈环状结构的主料管(41)，所述主料管(41)的内侧设置有若干个与其连通的喷料装置(42)，所述喷料装置(42)的自由端朝向所述主料管(41)的中心，所述主料管(41)的外侧设置有与其相连通的进料管(43)；所述喷料装置(42)包括固定块(421)，通过所述固定块(421)与所述主料管(41)固定，且所述固定块(421)内形成有与所述主料管(41)相连通的通孔，球形轴套(422)的一端位于所述通孔内并与所述通孔相连通，球形轴套(422)的另一端与缓冲腔(423)相连通，喷管(424)的一端位于所述缓冲腔(423)内，所述缓冲腔(423)内设置有喷管调节装置，所述缓冲腔外设置有驱动装置(425)，所述驱动装置(425)用于驱动所述调节装置动作，进而通过所述调节装置调节所述喷管(424)摆动。所述调节装置可以为相互配合的锥形齿轮结构或相互配合的蜗轮蜗杆结构。所述调节装置为液压结构。
本发明制备时将铝合金置于坩埚中加热至熔融，将熔融状态的铝合金从铝合金熔体出料口中流出，同时含钨酸锆的液氮从原料供给及冷却装置的喷嘴喷出，熔融状态的铝合金与氮气发生反应，在原料供给及冷却装置的冷却装置作用下形成AlN陶瓷。该成型过程类似3D打印。
本发明中所述高温熔融状态的铝合金是指在750～880℃条件下液态铝合金。以标准大气压计，每升氮气中含钨酸锆的质量优选为5～25g，更优选为10～20g，最优选为15g。所述钨酸锆优选为微米或纳米级粉末颗粒。本发明对所述铝合金、液氮和钨酸锆的来源均没有限制，以常规途径的商品途径购买即可。所述每升氮气中优选混入钨酸锆10～20g，更优选为15g。所述熔融状态的铝合金的流速优选为1～2.5ml/s，更优选为1.5～2ml/s。所述含钨酸锆的液氮的喷出压强优选为2～4MPa。所述铝合金为6系铝合金。其中铝合金也可以用纯度99％以上的纯铝替换。以反应30min为例，各原料用量如下：高温熔融状态下的铝合金的质量优选为4.86kg～9.72kg，更优选为7.29kg；钨酸锆的质量优选为3.24kg～8.97kg，更优选为4.86kg；液氮的质量为245g～500g，更优选为364g。
在制备得到的铝合金/陶瓷复合材料中，以Al/AlN/钨酸锆形式存在；铝合金/陶瓷复合材料的总质量以100％计，AlN的质量百分含量为0.5％～5％，钨酸锆的质量百分含量为25％～55％，余量为Al；所述Al以铝合金形式存在。
在本发明中，所述钨酸锆的质量百分含量为25％～55％，更优选为28％～48％，最优选为45％。所述AlN占铝合金/陶瓷复合材料的质量百分含量优选为0.5％～5％，更优选1％～4％，最优选为3％。本发明还可以用负膨胀陶瓷材料钒酸锆代替钨酸锆。
在本发明中，采用万能试验机测定所述铝合金/陶瓷复合材料的抗弯强度，经检测，所述铝合金/陶瓷复合材料的抗弯强度优选为560～730MPa。采用闪光法法测定铝合金/陶瓷复合材料的导热性，采用常规方法计算所述铝合金/陶瓷复合材料的导热系数优选为80～210W/m·K。采用推杆法测定铝合金/陶瓷复合材料的热胀冷缩性能，采用常规方法计算得到在-160～500℃条件下所述铝合金/陶瓷复合材料的热胀冷缩系数优选为0.15～8.23×10-6K-1。高温熔融状态铝合金流体在氮气的冲刷下部分和氮气反应形成高强、高导热、低膨胀陶瓷AlN，结合所制备的复合材料强度高、导热性好，且材料尺寸几乎不随温度的改变而改变，铝合金热胀冷缩、钨酸锆热缩冷胀，最终胀缩效应几乎抵消，该材料可用于温差大，材料尺寸稳定性要求高的领域，因此所述装置使用方便，提高了生产效率。
当原料包括Si3N4时，铝合金/陶瓷复合材料的制备方法优选将高温熔融状态的铝合金经含钨酸锆和Si3N4的液氮雾化后，铝合金流体逐渐冷却堆砌得到铝合金/陶瓷复合材料。制备方法具体同上，在此不做具体赘述。所述Si3N4的质量占所述铝合金/陶瓷复合材料总质量的15％～42％，更优选为25％～40％，最优选为30％～35％。本发明还可以采用碳化硅代替氮化硅等。
在本发明中，添加Si3N4制备高模量的铝合金/陶瓷复合材料。采用万能试验机检测铝合金/陶瓷复合材料的弹性模量，检测结果为弹性模量达到118～246GPa。
本发明提供的上述两种铝合金/陶瓷复合材料，包括铸态铝合金/陶瓷复合材料以及由此所产生出的所有产品，例如锻件、积压件、铸件、轧制产品(片和板)及管材。
本发明提供了所述高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料在工业生产中的应用，例如精密仪器、航空航天等领域。
下面结合实施例对本发明提供的一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，采用铝合金/陶瓷复合材料加工用装置制备，具体操作如下：
将750℃熔融状态下的6061-T6铝合金流体从坩埚中流出，流速为2ml/s，在重力作用下形成垂直流体，同时含钨酸锆的液氮(每升氮气中混入钨酸锆5g)从原料供给及冷却装置的喷嘴处高速喷出，喷出的压强控制在1MPa，在液氮的冲击和拉动下液态金属流体被迅速雾化、冷却逐渐堆砌呈柱状，形成铝合金/陶瓷复合材料。
采用EDS等分析法检测铝合金/陶瓷复合材料的组成，结果表明，在铝合金/陶瓷复合材料中，钨酸锆占复合材料总质量的31％，AlN陶瓷占复合材料总质量的2.8％，铝合金占复合材料总质量的66.2％(杂质归为铝合金配比)。
实施例2
一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，采用铝合金/陶瓷复合材料加工用装置制备，具体操作如下：
将880℃熔融状态下的6063-T4铝合金流体从坩埚中流出，流速为1.5ml/s，在重力作用下形成垂直流体，同时含钨酸锆的液氮(每升氮气中混入钨酸锆25g)从原料供给及冷却装置的喷嘴处高速喷出，喷出的压强控制在5MPa，在液氮的冲击和拉动下液态金属流体被迅速雾化、冷却逐渐堆砌呈柱状，形成铝合金/陶瓷复合材料。
采用EDS等分析方法检测铝合金/陶瓷复合材料的组成，结果表明，在铝合金/陶瓷复合材料中，钨酸锆占复合材料总质量的43％，AlN陶瓷占复合材料总质量的3.5％，铝合金占复合材料总质量的53.5％。
实施例3
一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，采用铝合金/陶瓷复合材料加工用装置制备，具体操作如下：
将820℃熔融状态下的6082-T6铝合金流体从坩埚中流出，流速为0.5ml/s，在重力作用下形成垂直流体，同时含钨酸锆与的液氮(每升氮气中混入钨酸锆15g)从原料供给及冷却装置的喷嘴处高速喷出，喷出的压强控制在3MPa，在液氮的冲击和拉动下液态金属流体被迅速雾化、冷却逐渐堆砌呈柱状，形成铝合金/陶瓷复合材料。
采用EDS等分析方法检测铝合金/陶瓷复合材料的组成，结果表明，在铝合金/陶瓷复合材料中，钨酸锆占复合材料总质量的42％，AlN陶瓷占复合材料总质量的3.1％，铝合金占复合材料总质量的54.9％。
实施例4
一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，采用铝合金/陶瓷复合材料加工用装置制备，具体操作如下：
将820℃熔融状态下的6082-T6铝合金流体从坩埚中流出，流速为1.5ml/s，在重力作用下形成垂直流体，同时含有钨酸锆与Si3N4的液氮(每升氮气中混入钨酸锆15g，混合Si3N415g)从原料供给及冷却装置的喷嘴处高速喷出，喷出的压强控制在3MPa，在液氮的冲击和拉动下液态金属流体被迅速雾化、冷却逐渐堆砌呈柱状，形成铝合金/陶瓷复合材料。
采用EDS等分析方法检测铝合金/陶瓷复合材料的组成，结果表明，在铝合金/陶瓷复合材料中，钨酸锆占复合材料总质量的28.3％，AlN陶瓷占复合材料总质量的3.1％，Si3N4的占复合材料总质量的27.8％，铝合金占复合材料总质量的43.9％。
性能检测：
实施例1～4制备的铝合金/陶瓷复合材料分别检测抗弯强度、导热性、热膨胀性和弹性模量。
检测方法：
1)抗弯强度采用万能试验机，使用3点弯曲方法测试(室温条件下)。
2)弹性模量使用万能试验机进行检测。
3)导热性依据GB/T 22588-2008，使用闪光法检测，软件直接计算。
4)热膨胀性依据GB/T 16535-2008、GB/T 4339-2008采用推杆法检测热膨胀系数。
检测结果见表1。
表1实施例1～4制备的铝合金/陶瓷复合材料各方面性能结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高强度、高导热性的铝合金/陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将熔融状态的铝合金流出后，被喷出的含钨酸锆的液氮冲刷、雾化、冷却堆砌形成柱状，得到铝合金/陶瓷复合材料；
所述熔融状态的铝合金的流速为0.5～3ml/s；
所述含钨酸锆的液氮的喷出速度以压强计，所述含钨酸锆的液氮的喷出压强为1～5MPa；
所述含钨酸锆的液氮中以标准大气压计，每升氮气中混入钨酸锆5～25g。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述制备方法采用铝合金/陶瓷复合材料加工用装置进行；
将铝合金置于坩埚中加热至熔融，将熔融状态的铝合金从铝合金熔体出料口中流出，同时含钨酸锆的液氮从原料供给及冷却装置的喷嘴喷出，熔融状态的铝合金与氮气发生反应，在原料供给及冷却装置的冷却装置作用下形成AlN陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述每升氮气中混入钨酸锆10～20g。
4.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述熔融状态的铝合金的流速为1～2.5ml/s。
5.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述含钨酸锆的液氮的喷出压强为2～4MPa。
6.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述铝合金为纯度99％以上的纯铝或6系铝合金。
7.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述铝合金/陶瓷复合材料还包括Si3N4，所述钨酸锆、Si3N4和所述铝合金中的铝的质量比为25～55：15～42：30～60。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述Si3N4和钨酸锆一同被混入液氮中。
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