CN116497250B - 一种高模量铝基复合材料箔材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高模量铝基复合材料箔材及其制备方法，所述箔材的组分包括：10wt%‑40wt%的陶瓷颗粒、以及60wt%‑90wt%的铝或60wt%‑90wt%的铝合金；所述陶瓷颗粒的粒径≤20μm；所述高模量铝基复合材料的致密度≥99.8%，屈服强度≥220 MPa，延伸率≥3%，密度≤3g/cm3，弹性模量≥110GPa；高模量铝基复合材料箔材的厚度为0.08mm‑0.25mm。本发明公开的制备方法，首先采用热等静压以及热挤压制备得到了增强相均匀分布的近全致密高性能铝基复合材料初坯，再通过大变形开坯和交叉热轧制实现了增强相的均匀分散。通过热轧与冷轧相结合的方法，对加热、退火以及轧制工艺的控制，实现了难变形的高体积分数铝基复合材料箔材的轧制和性能的优化控制。
Description
技术领域
本发明属于颗粒增强铝基复合材料制备技术领域，具体涉及一种高模量铝基复合材料箔材及其制备方法。
背景技术
随着消费电子领域的高速发展，折叠屏手机逐渐成为了各大厂商关注的热点。折叠屏手机的支撑板具有支撑柔性显示屏以及实现折叠弯折的作用。要求支撑板需要具备较高的弹性模量和强度以实现屏幕的稳定支撑，同时为了实现减薄减重需求，该材料厚度仅有0.1-0.2mm。
目前折叠屏手机支撑板材料主要为不锈钢、碳纤维和铝合金，其中不锈钢材料模量、强度高但是密度大；碳纤维密度最低，但是存在制造和加工成本高；铝合金材料密度较低，但是模量较低。铝基复合材料具有比强度高，弹性模量高，成分可调节、密度低等优点，在航空、航天、汽车和电子等领域有着广泛的应用。但是现有技术中的铝基复合材料难以用于制备手机支撑板用箔材，因为无法压制到手机支撑板要求的厚度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高模量铝基复合材料箔材及其制备方法，具体包括以下内容：
一种高模量铝基复合材料箔材，其组分包括：10wt%-40wt%的陶瓷颗粒、以及60wt%-90wt%的铝或60wt%-90wt%的铝合金；所述陶瓷颗粒的粒径≤20μm，具体的，所述陶瓷颗粒的粒径可以≤0.1μm、≤5μm、≤11μm、≤15μm、≤18μm等；所述高模量铝基复合材料箔材的厚度为0.08mm-0.25mm，具体的，根据需要，本发明公开的高模量铝基复合材料箔材的厚度可以为0.08mm、0.085mm、0.09mm、095mm、0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.18mm等，克服了现有技术中铝基复合材料无法制成薄的箔材的技术难题，能够满足收集支撑板的厚度要求。
优选的，高模量铝基复合材料箔材的组分包括：25wt%-40wt%的陶瓷颗粒、60wt%-75wt%的铝或60wt%-75wt%的铝合金。具体的，所述陶瓷颗粒的含量可以是28wt%、30wt%、32wt%、35wt%、38wt%等，余量为铝或铝合金。
优选的，所述陶瓷颗粒为碳化硼或碳化硅中的一种或两种的混合物；所述铝合金为2A12铝合金、6063铝合金或6061铝合金中的一种或多种。
优选的，所述高模量铝基复合材料箔材的致密度≥99.8%，屈服强度≥220 MPa，延伸率≥3%，密度≤3g/cm3，弹性模量≥110GPa。
一种高模量铝基复合材料箔材的制备方法，包括以下步骤：
（1）混料：将陶瓷颗粒、铝粉或铝合金粉在保护气氛围中混合均匀，得到复合粉体；
（2）除气：对复合粉体进行除气；
（3）热等静压：将除气后的复合粉体热等静压烧结成型，所述热等静压烧结的温度为400℃-550℃（例如410℃、450℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃等）、压力为100MPa-200MPa（例如120MPa、150MPa、160MPa、180MPa等）、保温时间为1h-3h（例如1.2h、1.5h、1.8h、2h、2.5h等），然后随炉冷却，得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；
（4）热挤压：将步骤（3）得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加热到400℃-540℃（例如420℃、450℃、480℃、500℃、520℃等），保温0.5h-2h（例如0.8h、1h、1.2h、1.5h、1.8h等），得到加热后的坯料；然后将加热后的坯料挤压为陶瓷颗粒增强铝基复合材料带板；
（5）热轧：将步骤（4）得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料带板进行热粗轧，热粗轧的加热温度为400℃-540℃（例如420℃、450℃、480℃、500℃、520℃等），开坯变形率为15%-25%（可以是18%、20%、21%、22%、23%等），轧制速度为15m/min-40m/min（例如18m/min、20m/min、25m/min、30m/min、35m/min等）；开坯后继续保温15min-25min，然后采用多道次换向热轧的方法制备得到厚度为1.5mm-2.5mm（具体可以是1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm等）的高模量铝基复合材料热轧板材，所述多道次换向热轧的道次下压量为10%-20%（例如12%、15%、18%、19%等）、道次间保温时间为0.3h-0.5h（例如0.35h、0.4h、0.45h等）；
（6）冷轧：将步骤（5）得到的高模量铝基复合材料热轧板材进行多道冷轧，所述多道冷轧的道次变形量为10%-25%（例如12%、15%、18%、19%、22%、24%等），当累计变形量达到45%-55%（优选为50%）后，在350℃-450℃（例如380℃、400℃、420℃、430℃等）温度下进行软化退火处理，保温时间为1min-10min（例如2min、4min、6min、8min等），得到箔材；
（7）退火：将步骤（6）得到的箔材退火，得到厚度为0.08mm-0.25mm的陶瓷颗粒增强铝基复合材料箔材成品，具体的，根据需要，本发明公开的高模量铝基复合材料箔材的厚度可以为0.08mm、0.085mm、0.09mm、095mm、0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.18mm等。
优选的，步骤（1）中：所述铝粉或铝合金粉的粒径≤40μm，具体可以是≤5μm、≤8μm、≤10μm、≤15μm、≤25μm等；所述陶瓷颗粒的粒径≤20μm，具体可以是≤0.1μm、≤5μm、≤11μm、≤15μm、≤18μm等。
优选的，步骤（1）所述的混合方法为：使用双锥混料机在氩气保护的条件下，将陶瓷颗粒、以及铝粉或铝合金粉混合均匀，所述双锥混料机中磨球与待混粉体重量比为(0.8-1.2):(0.8-1.2)，所述重量比优选为1：1，混合时间为10h-24h（例如12h、15h、18h、20h、22h等）。
优选的，所述步骤（2）中的除气方法为：将复合粉体装入预先制好的铝包套中，然后进行振实，再在温度为350℃-450℃（例如380℃、400℃、410℃、420℃、430℃等）、真空度≤1×10-3Pa的条件下封焊封口；所述步骤（3）还包括除去随炉冷却后的坯料表面的铝皮。
优选的，步骤（3）：所述热等静压烧结的升温速率≤10℃/min（例如2℃/min、4℃/min、6℃/min、8℃/min等）；所述得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料的致密度≥99.5%。
优选的，步骤（4）所述的挤压方法为：将加热后的陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料装入挤压设备中进行挤压，所述挤压设备的温度为370-480℃（例如380℃、400℃、420℃、440℃、460℃等），挤压比为8-25（例如9、10、12、15、18、20、22等），挤压速率为0.5mm/s-10mm/s（例如0.8mm/s、1mm/s、2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s等）。
本发明的有益效果：
（1）本发明公开的高模量铝基复合材料箔材包括10wt%-40wt%的陶瓷颗粒、以及60wt%-90wt%的铝或60wt%-90wt%的铝合金，并限定了陶瓷颗粒的粒径≤20μm，本发明公开的高模量铝基复合材料箔材通过对成分的设计，可以达到高于99.8%的致密度，而且屈服强度≥220 MPa、延伸率≥3%、密度≤3g/cm3、弹性模量≥110GPa。而且本发明公开的高模量铝基复合材料箔材的厚度可以达到0.08mm-0.25mm，克服了现有技术中铝基复合材料无法制成薄的箔材的技术难题，能够满足收集支撑板的厚度要求。
（2）本发明公开的制备方法，首先采用热等静压以及热挤压制备得到了增强相均匀分布的近全致密高性能铝基复合材料初坯，再通过大变形开坯和交叉热轧制实现了增强相的均匀分散。通过热轧与冷轧相结合的方法，对加热、退火以及轧制工艺的控制，实现了难变形的高体积分数铝基复合材料箔材的轧制和性能的优化控制。得到的复合材料致密度大于99.8%，屈服强度大于220 MPa，延伸率≥3%，密度≤3g/cm3，弹性模量≥110GPa，是一种轻质高强铝基复合材料，在折叠屏手机支撑板领域具有较大的应用潜力。本发明通过对铝基复合材料成分的控制和制备工艺的改进，使得所制备的铝基复合材料可以用作箔材，所制备的箔材的厚度可以达到0.1mm左右。
附图说明
图1是本发明实施案例1制备的铝基复合材料箔材的成品照片；
图2是本发明实施案例1制备的铝基复合材料箔材截面扫描电镜显微组织照片。
具体实施方式
下面结合附图1-2和具体实施方式对本发明进行详细说明。下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
实施例1
本实施案例中铝基复合材料箔材按照质量百分比30%碳化硼和70%6063铝基体组成，平均粒径分别为10μm和35μm，铝基复合材料箔材的制备方法是按下述步骤进行的：
（1）碳化硼粉与6063铝合金粉混合，使用双锥混料机在氩气保护的条件下将混合时间为12小时；
（2）混合均匀的粉末装在预先制好的铝包套中，经过人工振实或机械振实后，在400℃，真空度低于1×10-3Pa的条件下封口，其中除气时间不小于15小时。
（3）以10℃/min的速率升温至500℃，在压力为120 MPa的热等静压条件下保温4小时，随炉冷却至室温实现复合材料的成型。车掉表面铝皮即得到铝基复合材料初坯。
（4）将初坯加热至490-510℃，保温30min，挤压筒加热至480℃，对坯锭实施热挤压加工，其中挤压比16:1，挤压出口宽厚比为4:1，挤压速0.5mm/s。
（5）挤压坯锭经过锯切、铣削加工后，进行热粗轧，加热温度为500℃，开坯变形率为20%，轧制速度为20m/min。开坯后坯锭继续保温20min，采用多道次交叉热轧得到厚度为2mm的热轧板材，道次下压量10-20%，道次间保温0.3-0.5h。
（6）热轧得到的卷材冷轧至0.1mm厚，道次变形量10-25%，累计变形量达到50%后进行350-450℃的软化退火处理，保温时间3min。
（7）通过200℃保温6小时的退火工艺对铝基复合材料箔材进行退火，达到要求的性能。
得到的复合材料致密度为99.9%，铝基复合材料箔材的密度为2.66g/cm3，厚度为0.1mm，箔材的成品图参见图1，铝基复合材料箔材的截面显微组织参见图2，可见复合材料晶粒尺寸细小，组织致密，增强相分布均匀，无明显孔洞和团聚。抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为250MPa、235MPa和3.5%，弹性模量为120-140GPa。
实施例2
本实施案例与实施案例1不同点在于：粉末混合原料为质量百分比20%碳化硼和85%6063铝基体组成，混料时间为8h。热轧道次下压量为15-25%，退火工艺为300℃保温6小时。
得到的复合材料致密度为99.9%，密度为2.67g/cm3，厚度为0.08mm，晶粒尺寸细小，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为250MPa、220MPa和4%，弹性模量为110-120GPa。
实施例3
本实施案例与实施案例1的不同点在于：铝合金粉末为2A12，碳化硼粉末粒度为7μm，热等静压温度为470℃，热挤压温度为450℃，热轧保温温度为450℃。
得到的复合材料致密度为99.8%，密度为2.65g/cm3，厚度为0.09mm，组织致密，无孔洞和团聚，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为270MPa、240MPa和3%，弹性模量为125-150GPa。
实施例4
本实施案例与实施案例1的不同点在于：陶瓷粉末为碳化硅，得到的复合材料致密度为99.9%，，厚度为0.12mm，晶粒尺寸细小，密度为2.83g/cm3，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为255MPa、240MPa和3%，弹性模量为110-140GPa。
实施例5
本实施案例与实施案例1的不同点在于：粉末混合原料为质量百分比40%碳化硼和60%的6063铝基体组成，混料时间为8h。热轧道次下压量为15-25%，退火工艺为200℃保温6小时。
得到的复合材料致密度为99.9%，密度为2.62g/cm3，厚度为0.2mm，晶粒尺寸细小，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为220MPa、200MPa和3%，弹性模量为120-150GPa。
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 (10)
1.一种高模量铝基复合材料箔材，其特征在于，其组分包括：10wt%-38wt%的陶瓷颗粒、余量为铝或铝合金；所述陶瓷颗粒的粒径为≤20μm；所述高模量铝基复合材料箔材的厚度为0.08mm-0.25mm；所述高模量铝基复合材料箔材的制备方法包括以下步骤：
（1）混料：将陶瓷颗粒、以及铝粉或铝合金粉在保护气氛围中混合均匀，得到复合粉体；
（2）除气：对复合粉体进行除气；
（3）热等静压：将除气后的复合粉体热等静压烧结成型，所述热等静压烧结的温度为400℃-550℃、压力为100MPa-200MPa、保温时间为1h-3h，然后随炉冷却，得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；
（4）热挤压：将步骤（3）得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加热到400℃-540℃，保温0.5h-2h，得到加热后的坯料；然后将加热后的坯料挤压为陶瓷颗粒增强铝基复合材料带板；
（5）热轧：将步骤（4）得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料带板进行热粗轧，热粗轧的加热温度为400℃-540℃，开坯变形率为15%-25%，轧制速度为15m/min-40m/min；开坯后继续保温15min-25min，然后采用多道次换向热轧的方法制备得到厚度为1.5mm-2.5mm的高模量铝基复合材料热轧板材，所述多道次换向热轧的道次下压量为10%-20%、道次间保温时间为0.3h-0.5h；
（6）冷轧：将步骤（5）得到的高模量铝基复合材料热轧板材进行多道冷轧，所述多道冷轧的道次变形量为10%-25%，当累计变形量达到45%-55%后，在350℃-450℃温度下进行软化退火处理，保温时间为1min-10min；
（7）退火：将步骤（6）处理后的材料退火，得到厚度为0.08mm-0.25mm的陶瓷颗粒增强铝基复合材料箔材成品。
2.根据权利要求1所述的一种高模量铝基复合材料箔材，其特征在于，其组分包括：25wt%-35wt%的陶瓷颗粒、余量为铝或铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种高模量铝基复合材料箔材，其特征在于，所述陶瓷颗粒为碳化硼或碳化硅中的一种或两种的混合物；所述铝合金为2A12铝合金、6063铝合金或6061铝合金中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高模量铝基复合材料箔材，其特征在于，所述高模量铝基复合材料箔材的致密度≥99.8%，屈服强度≥220 MPa，延伸率≥3%，密度≤3g/cm3，弹性模量≥110GPa。
5.一种权利要求1所述的高模量铝基复合材料箔材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）混料：将陶瓷颗粒、以及铝粉或铝合金粉在保护气氛围中混合均匀，得到复合粉体；
（2）除气：对复合粉体进行除气；
（3）热等静压：将除气后的复合粉体热等静压烧结成型，所述热等静压烧结的温度为400℃-550℃、压力为100MPa-200MPa、保温时间为1h-3h，然后随炉冷却，得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；
（4）热挤压：将步骤（3）得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加热到400℃-540℃，保温0.5h-2h，得到加热后的坯料；然后将加热后的坯料挤压为陶瓷颗粒增强铝基复合材料带板；
（5）热轧：将步骤（4）得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料带板进行热粗轧，热粗轧的加热温度为400℃-540℃，开坯变形率为15%-25%，轧制速度为15m/min-40m/min；开坯后继续保温15min-25min，然后采用多道次换向热轧的方法制备得到厚度为1.5mm-2.5mm的高模量铝基复合材料热轧板材，所述多道次换向热轧的道次下压量为10%-20%、道次间保温时间为0.3h-0.5h；
（6）冷轧：将步骤（5）得到的高模量铝基复合材料热轧板材进行多道冷轧，所述多道冷轧的道次变形量为10%-25%，当累计变形量达到45%-55%后，在350℃-450℃温度下进行软化退火处理，保温时间为1min-10min；
（7）退火：将步骤（6）处理后的材料退火，得到厚度为0.08mm-0.25mm的陶瓷颗粒增强铝基复合材料箔材成品。
6.根据权利要求5所述的一种高模量铝基复合材料箔材的制备方法，其特征在于，步骤（1）中：所述铝粉或铝合金粉的粒径≤40μm；所述陶瓷颗粒的粒径≤20μm。
7.根据权利要求6所述的一种高模量铝基复合材料箔材的制备方法，其特征在于，步骤（1）的混料方法为：使用双锥混料机在氩气保护的条件下，将陶瓷颗粒、以及铝粉或铝合金粉混合均匀，所述双锥混料机中磨球与待混粉体重量比为(0.8-1.2):(0.8-1.2)，混合时间为10h-24h。
8.根据权利要求5所述的一种高模量铝基复合材料箔材的制备方法，其特征在于，步骤（2）中的除气方法为：将复合粉体装入预先制好的铝包套中，然后进行振实，再在温度为350℃-450℃、真空度≤1×10-3 Pa的条件下封焊封口；所述步骤（3）还包括除去随炉冷却后的坯料表面的铝皮。
9.根据权利要求5所述的一种高模量铝基复合材料箔材的制备方法，其特征在于，步骤（3）：所述热等静压烧结的升温速率≤10℃/min；所述得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料的致密度≥99.5%。
10.根据权利要求5-9任一项所述的高模量铝基复合材料箔材的制备方法，其特征在于，步骤（4）的热挤压方法为：将加热后的陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料装入挤压设备中进行挤压，所述挤压设备的温度为370-480℃，挤压比为8-25，挤压速率为0.5mm/s-10mm/s。
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