一种纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法及装置

摘要

本发明提供一种纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法及装置，涉及颗粒增强铝基复合材料制备技术领域，其特征在于：采用高频磁场与低频磁场构成组合电磁场，并将该组合电磁场与超声场耦合施加于原位颗粒增强复合材料的熔体反应合成过程，实现双频组合电磁场和高能超声场耦合作用下合成内生纳米颗粒增强金属基复合材料。本发明克服了只施加电磁场或超声场的不足，也克服了单一电磁场与超声场耦合的不足，组合电磁场与超声场的耦合作用使增强相细化至纳米尺度并使颗粒形貌圆整化，提高了颗粒与基体的结合强度，并有利于颗粒分散，提高复合材料的综合性能。

权利要求

1.一种纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在熔体反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料的原位反应合成过程中同时施加高频磁场与低频磁场的组合电磁场与超声场，实现组合电磁场与超声场形成的耦合场对原位反应过程进行控制，进而达到控制颗粒尺寸、形貌以及在基体内分布的目的；所述高频磁场的电磁参数范围为频率

1kHz～20kHz，电流10～500A，以熔体呈现明显的扰动确定频率和电流值；所述低频磁场的电磁参数为：频率为1～20Hz，输出电流100～1000A，由熔体的整体搅拌强度确定频率

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和电流值；所述超声场的频率15kHz～25kHz，超声场的强度6.1W/cm ～60W/cm。

2.一种纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置，包括保温耐火材料制成的容器(2)，其特征是：高频磁场线圈安装在容器(2)的外壁上，低频磁场线圈安装在高频磁场线圈的外侧，高频磁场与低频磁场线圈之间留有保证绝缘的间隙，为2～4cm，在容器(2)内的复合材料熔体(1)的上部安插超声装置的变幅杆(5)。

说明书

一种纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及颗粒增强铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及到一种利用组合电磁场与超声场形成的耦合外场对铝基复合材料的熔体反应合成过程进行控制的新方法。

背景技术

[0002] 颗粒增强金属基复合材料由于具有复合的结构特征而兼备良好的力学性能和理化性能，在先进的电工电子器件、航空航天器、机械、桥梁隧道工程等领域具有广阔的应用前景，已成为近年来金属基复合材料的研究热点之一。随着研究的深入，颗粒增强铝基复合材料正逐渐成为一种应用越来越广泛的新型材料。目前，熔体反应合成法是制备颗粒增强铝基复合材料的重要方法，该方法是通过向熔体内加入反应物，通过反应物与铝基体间的原位化学反应形成增强颗粒相。由于加入的反应物基本上都是固相，所以反应物与熔体之间的反应属典型的固-液相反应，固相反应物的分散、原位化学反应以及原位颗粒的形核长大、分散等都对原位复合制备过程有重要影响，进而影响材料的组织和性能，因此，熔体反应合成的过程控制一直是熔体反应法制备颗粒增强铝基复合材料的关键，备受重视。

[0003] 经检索，中国专利CN101391291A提出一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法，对熔体的原位反应合成过程施加由旋转磁场和行波磁场组合的磁场，该发明可以改善固相反应物和生成颗粒的分散性，从而改善反应的动力学条件，该发明所施加的组合磁场，都是低频磁场(＜100Hz)以实现电磁搅拌作用为主，由于低频磁场的能量低且分散，对化学反应的热力学条件影响较弱。提出在原位合成过程施加低频磁场搅拌的现有技术还有：中国专利CN 101199989(发明名称：异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法)和中国专利CN 1667147C(发明名称：一种工业规模制备内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法)等。以上现有技术对熔体反应合成的整个过程施加一种形式的低频磁场，这种磁场对复合反应的热力学影响较弱。

[0004] 中国专利CN 101391290A(发明名称：一种磁场与超声场耦合作用下制备金属基复合材料的方法，提出在原位反应的过程施加磁场与超声的耦合场，该发明所提出的磁场为单一的强脉冲磁场、高频振荡磁场或低频交变磁场，这种单一磁场具有各自的特色，强脉冲磁场和高频振荡磁场可以引起熔体内部的能量起伏，影响反应的热力学条件的作用突出，但其搅拌作用弱，对熔体与反应盐的混合及反应的动力学条件影响微弱；而采用低频磁场具有很好的搅拌作用，但低频磁场对反应热力学的影响甚微。因此，采用单一磁场与超声场的耦合，并没有充分发挥电磁场的优势，实现外场准确控制熔体反应合成过程的目的。

[0005] 熔体直接反应合成制备原位颗粒增强复合材料的过程是典型的固液相反应，其反应过程涉及到反应的热力学和动力学，因此，欲实现对反应合成过程的作用和控制，应该同时改变原位合成反应的热力学和动力学条件，选择组合电磁场与超声场形成的耦合外场是一个理想的选择。

发明内容

[0006] 本发明的目的是：根据熔体反应法制备颗粒增强复合材料的合成过程热力学和动力学的需要，提供采用组合电磁场与超声场形成的耦合场对熔体直接反应法制备原位纳米颗粒增强铝基复合材料的合成过程控制的方法和装置，充分发挥外场控制优势，改善原位合成过程的热力学和动力学条件。

[0007] 本发明的目的是通过下列技术方案来实现的：

[0008] 按照熔体直接反应法合成颗粒增强铝基复合材料的制备过程，即铝基熔体精炼后调整到反应起始温度，加入能与铝基熔体原位反应生成颗粒相的反应物粉剂得到复合材料熔体进行合成反应，在反应合成过程中同时施加组合电磁场和高能超声场，待反应结束，静置到浇注温度后进行浇注。

[0009] 采用本发明的典型特征是：在熔体反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料的原位反应合成过程中同时施加组合电磁场与超声场，实现组合电磁场与超声场形成的耦合场对原位反应过程进行控制，进而达到改善反应热力学和动力学，实现控制颗粒尺寸、形貌以及在基体内分布的目的。实现本发明的具体的技术方案结合图1的示意图说明如下：

[0010] 复合材料熔体的反应合成过程在保温耐火材料制成的容器(或坩埚)内进行，在容器的外侧安装组合磁场，该组合磁场是由高频磁场和低频磁场构成的，高频磁场安装在容器的外壁上，低频磁场安装在高频磁场的外侧，高频磁场与低频磁场线圈之间留有保证绝缘的间隙，一般为2～4cm。在复合材料熔体的上部安插超声装置的变幅杆。

[0011] 在熔体反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料的原位反应合成过程中同时施加组合电磁场与超声场，实现组合电磁场与超声场形成的耦合场对原位反应过程进行控制。组合电磁场由高频磁场与低频磁场组合，其中高频磁场的电磁参数为：频率1kHz～20kHz，电流10～500A，以熔体呈现较明显的扰动确定最佳频率和电流值；低频磁场的电磁参数为：频率为1～20Hz，输出电流100～1000A，由搅拌强度确定最佳频率和电流值。超声场
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的频率15kHz～25kHz，超声场的强度6.1W/cm ～60W/cm。

[0012] 本发明中采用组合电磁场与超声场耦合作用的原理是：

[0013] 高频磁场与低频磁场的组合可以实现作用效果的互补，低频磁场的搅拌作用明显，辅之以超声振动和高频磁场电磁扰动的作用，可以明显改善原位合成反应的动力学条件；高频磁场的突出作用是电磁热冲击效应，可以增加熔体反应质点的能量起伏，辅之以超声场的空化效应和超声波能量振动效应，可以明显改善原位合成反应的热力学条件。因此，采用本发明的组合电磁场与超声场形成的耦合外场对原位合成反应过程进行控制，有效改善了合成过程的动力学和热力学条件，实现对原位反应合成过程的更有效控制，进而达到控制颗粒尺寸、形貌以及在基体内均匀分布的目的。

[0014] 与现有技术相比本发明具有的优点是：

[0015] 复合材料在组合电磁场和超声场形成的耦合场作用下合成，克服了只施加电磁场或超声场的不足，也克服了单一电磁场与超声场耦合的不足，其最显著的优势如下：

[0016] (1)本发明同时改善合成过程的热力学条件和动力学条件，提高了熔体反应合成过程各个环节的速率，有效缩短合成时间和提高反应物的利用率和收得率，实验证明：反应合成时间比现有技术缩短30～50％，而反应物的利用率即收得率提高10～20％。

[0017] (2)组合电磁场与超声场的耦合作用可抑制增强相的团簇聚集长大，颗粒尺寸控制在纳米尺度，且颗粒明显圆整化，提高了颗粒与基体的结合强度，并有利于颗粒分散，提高复合材料的综合性能。

附图说明

[0018] 图1本发明的示意图

[0019] 图注：1复合材料熔体；2容器；3高频磁场；4低频磁场；5变幅杆。

[0020] 图2实施例1制备材料的扫描电镜图

[0021] 图3实施例2制备材料的扫描电镜图

具体实施方式

[0022] 以下结合实施例对本发明作进一步的阐述。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

[0023] 实施例一：制备(Al3Zr(s)+Al2O3(s))颗粒增强铝基复合材料

[0024] 原材料：基体金属：工业纯铝；固体粉末：工业碳酸锆(Zr(CO3)2)粉剂(纯度为99.20％)，精炼脱气剂及扒渣剂；

[0025] 原位反应方程式：13Al(1)+3Zr(CO3)2(s)＝3Al3Zr(s)+2Al2O3(s)+6CO2↑[0026] 颗粒增强相：Al3Zr(s)和Al2O3(s)

[0027] 制备过程如下：

[0028] (一)首先进行金属熔炼及粉体制备：

[0029] 工业纯铝10Kg在25kW坩埚式电阻炉中熔化升温到850℃，脱气、扒渣。所用试剂均在250℃～300℃下充分烘干，其中Zr(CO3)2研磨成细粉(粒度小于100μm)，称量后待用，Zr(CO3)2加入的重量为金属重量的10％。

[0030] (二)：多元磁场组合下制备复合材料熔体：

[0031] 熔体温度合格后，进行一次精炼，在精炼好且符合温度要求(850℃)的金属液倾入带保温功能的容器2内，向熔体内用钟罩压入固体反应物Zr(CO3)2粉末。

[0032] 依次开启高频磁场和低频磁场，调整组合磁场的电磁参数到指定范围，其中高频磁场的电磁参数为：频率1kHz，电流500A；低频磁场的电磁参数为：频率为2Hz，输出电流900A。然后开启超声装置，调整超声场参数为：超声场的频率15kHz，超声场的强度6.1W/
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cm，反应结束后，关闭所有外场，熔池静置3分钟后准备浇铸。

[0033] (三)：金属浇入金属型模内，制得复合材料铸件，取样分析，内部组织致密，无疏松、缩孔等凝固组织缺陷，颗粒尺寸＜100nm，属纳米颗粒增强复合材料，材料的铸态组织扫描电镜图如图2所示。

[0034] 采用该发明的突出特点是：颗粒尺寸明显细化到纳米尺度，颗粒圆整度提高，无团簇现象，反应时间从20～30分钟缩短到10分钟，反应物的收的率提高约20％，说明反应速率和产率提高，从而证实反应合成过程的热力学和动力学条件得以充分改善。

[0035] 实施例二：制备Al2O3(s)颗粒增强铝基复合材料

[0036] 原材料：基体金属：工业纯铝；固体粉末：工业碳酸铈(Ce2(CO3)3)粉剂(纯度为99.20％)，精炼脱气剂及扒渣剂；

[0037] 原位反应方程式：4Al+3CeO2→2Al2O3+3Ce

[0038] 颗粒增强相：Al2O3(s)

[0039] 制备过程如下：

[0040] (一)首先进行金属熔炼及粉体制备：

[0041] 工业纯铝10Kg在25kW坩埚式电阻炉中熔化升温到850℃，脱气、扒渣。所用试剂均在250℃～300℃下充分烘干，其中碳酸铈研磨成细粉(粒度小于100μm)，称量后待用，碳酸铈加入的重量为金属重量的10％。

[0042] (二)：多元磁场组合下制备复合材料熔体：

[0043] 熔体温度合格后，进行一次精炼，在精炼好且符合温度要求(850℃)的金属液倾入带保温功能容器2内，向熔体内用钟罩压入固体反应物碳酸铈粉末。

[0044] 依次开启高频磁场和低频磁场，调整组合磁场的电磁参数到指定范围，其中高频磁场的电磁参数为：频率20kHz，电流30A；低频磁场的电磁参数为：频率为20Hz，输出电流2
150A。然后开启超声装置，调整超声场参数为：超声场的频率25kHz，超声场的强度60W/cm，反应结束后，关闭所有外场，熔池静置3分钟后准备浇铸。

[0045] (三)：金属浇入金属型模内，制得复合材料铸件，取样分析，颗粒尺寸＜100nm，属纳米颗粒增强复合材料，材料的铸态组织扫描电镜图如图3所示。

[0046] 采用该发明的突出特点是：颗粒尺寸明显细化到纳米尺度，颗粒圆整度提高，无团簇现象，反应时间从20分钟缩短到12分钟，反应物的收的率提高约18％，说明反应速率和产率提高，从而证实反应合成过程的热力学和动力学条件得以充分改善。