一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法转让专利
申请号 : CN202111000644.7
文献号 : CN113699417B
文献日 : 2022-03-08
发明人 : 刘和平 , 杨恒喆 , 张森铭 , 孙凤儿 , 郭支明
申请人 : 中北大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:第一步:将K2FeO4、Al、石墨进行干法球磨;质量比为K2FeO4:Al:石墨=(3.5~4.3):(4.6~
5.5):(0.8 1.3);
~
第二步:球磨结束后,所得复合粉末用去离子水洗涤,过滤,干燥,得到Al2O3/Fe3O4锚定石墨烯复合粉体,记为Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体;
第三步:将烘干后的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理,得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体;
第四步:将第三步得到的复合粉体进行研磨细化;
第五步:将Al粉单独进行球磨,得到细化的Al粉颗粒;
第六步:将Al粉颗粒与Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体按比例再次球磨,使其混合均匀;
Al2O3/Fe3O4@GNS质量分数为0.5~1%,其余为Al粉;
第七步:球磨结束后,将混合粉末进行冷压得到压缩试样;
第八步:放入管式炉内进行真空烧结,最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料;
将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形降温时效处理,即是在约束变形的同时进行时效,压力为100 200MPa,温度为150 200℃,时间为20 40h,降温速率为~ ~ ~
0.03 0.05℃/min。
~
2.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于:
第一步中,将磨球与K2FeO4、Al、石墨放入球磨罐中进行干法球磨,磨球为锆球,转速为
200 300r/min,球磨时间为8 12h。
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3.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于:第二步中,球磨结束后,所得复合粉末用去离子水洗涤3 5次,过滤,在100 200℃真空干~ ~
燥2~4h,得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体。
4.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于:第三步中,退火处理的温度为400~500℃,保温3~6h,得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体。
5.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于:第四步中研磨时间为3 5h。
~
6.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于:第五步中将Al粉单独进行球磨4 6h,并用200目细筛去掉较大颗粒,得到细化的Al粉颗~
粒。
7.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于:第六步中,将第五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行干法球磨,球料比为10:1,球磨时间为8 10h。
~
8.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于:第七步中,冷压的压强为650 700MPa,保压时间为0.5 1h,得到厚度为2.5mm、直径为~ ~
1.5cm的压缩试样。
9.根据权利要求1所述的Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于:第八步中,将第七步得到的压缩试样放入管式炉内,进行抽真空,压强为0.1 0.4Pa,烧~
结,烧结温度为600~620℃,加热与冷却速率均为10℃/min;最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料。
说明书 :
一种Al2O3/Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
背景技术
基复合材料的依赖性也越来越强。随着对铝基复合材料广泛而深入的研究,探索出多种增
强铝基复合材料的加工工艺,采用增强体与铝及铝合金的有效结合来提升铝基复合材料的
性能是常见的一种加工工艺。而陶瓷颗粒、碳化物、氮化物等颗粒物是应用较多的增强体。
这些增强体作为单一增强体制备铝基复合材料时,能够一定程度上增强了铝基复合材料的
性能,体现出较好的增强效果。但是,由于增强体较高表面活性,在制备过程中,容易在基体
内发生团聚,降低其塑性、韧性,不利于大范围推广。
铝混合粉体、冷压成型石墨烯/铝复合材料料坯、热挤压成型等步骤制备得到石墨烯/铝复
合材料。这种通过简单球磨的方式并不能很好是实现石墨烯在铝基体中的分散,一定程度
上会造成石墨烯的团聚,使石墨烯与铝的界面结合变差,降低基体的塑性。
强体进行简单的混合来提高了铝基复合材料的性能,对于混杂增强机理,还需深入研究。
粉、其他一种或多种纳米颗粒、微米级的铝或铝合金粉混合制备出毫米级复合颗粒并将其
压成预制中间合金块,再添加到铝或铝合金熔体中,制备纳米陶瓷颗粒混杂增强铝基复合
材料。虽然提高了铝基复合材料的性能,但忽略增强体之间的相互作用及团聚的影响,同样
会对铝基的性能造成不利影响。随着铝基复合材料的应用领域范围的不断扩大,对铝基复
合材料的性能提出了更高的要求。
发明内容
度、抗冲击性等。
有所提高,但大多数增强方式是通过向基体添加单一或者简单混合两种或两种以上的增强
体的方式去增强基体的性能,而对于通过混杂增强体之间的相互作用去增强基体的研究较
少。本发明基于以往研究的基础上发现Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料可以更大程度的
提高基体比强度、比刚度、抗冲击性等物理性能和力学性能,且制备工艺简单,成本低廉,易
于推广。
~ ~ ~
空干燥2~4h,得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体;
粉颗粒;
1h,得到厚度为2.5mm、直径为1.5cm的压缩试样;
烧结,烧结温度为600 620℃,加热与冷却速率(这是指烧结过程中刚开始升温的速率和烧
~
结完成后降温的速率)均为10℃/min。最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料;
~ ~ ~
40h,降温速率为0.03 0.05℃/min。
~
成的Al2O3/Fe3O4锚定在石墨上,增加磨球与石墨的剪切力剥离出石墨烯;第二要将球磨得
到的复合粉体多次洗涤,以去除复合粉体中钾离子,防治杂质对铝基的影响;第三要保证干
燥后的复合粉体要研磨充分,以及二次球磨时间充分,由于Al2O3/Fe3O4锚定在石墨烯片层,
进一步阻止了石墨烯团聚的同时也有效分散了Al2O3/Fe3O4,从而使Al2O3/Fe3O4@GNS均匀分
散于铝基体中;第四在冷压的过程中,要保持压强与保压过程一致,以免出现微裂纹。
Al2O3/Fe3O4锚定的石墨烯;通过Al2O3/Fe3O4、石墨烯之间的相互作用,使Al2O3/Fe3O4@GNS在
与Al粉进行二次球磨过程中,避免了混杂增强体的团聚;而Al2O3/Fe3O4@GNS在Al基中的有
效分散,通过后续的制备过程,极大提高了铝基复合材料的物理力学性能,得出了Al2O3/
Fe3O4@GNS混杂增强铝基复合材料的制备方法;并且该制备方法采用粉末冶金,工艺简单,成
本低廉,制备材料的性能满足当前生产生活的需要,利于大面积应用。
附图说明
具体实施方式
并不用于限定本发明。下面结合实施例详细说明本发明的技术方案,但保护范围不被此限
制。
锆球,转速为220r/min,球磨时间为8h;第二步:球磨结束后,所得复合粉末用去离子水洗涤
5次,过滤,在120℃真空干燥2h,得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体;第三步:将烘干后的Al2O3/
Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理,温度为450℃,保温3.5h,得到结晶度较好的Al2O3/Fe3O4@
GNS复合粉体;第四步:将第三步得到的复合粉体进行研磨细化,研磨时间为5h;第五步:将
Al粉单独进行球磨4.8h,并用200目细筛去掉较大颗粒,得到细化的Al粉颗粒;第六步:将第
五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的复合粉体进行干法球磨,Al2O3/Fe3O4@GNS质量
分数为0.5%,其余为Al粉。球料比为10:1,球磨时间为10h;第七步:球磨结束后,将混合粉末
进行冷压,压强为650MPa,保压时间为0.8h,得到厚度为2.5mm,直径为1.5cm的压缩试样;第
八步:将第七步得到的压缩试样放入管式炉内,进行抽真空,压强为0.2Pa,烧结,烧结温度
为600℃,加热与冷却速率均为10℃/min。最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料;第
九步:将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形降温时效处理,即是在
约束变形的同时进行时效,压力为200MPa,温度为180℃,时间为40h,降温速率为0.03℃/
min。所得材料的硬度值为 93.65 HV,提高了11.96%。
球为锆球,转速为260r/min,球磨时间为9h;第二步:球磨结束后,所得复合粉末用去离子水
洗涤3次,过滤,在180℃真空干燥3h,得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体;第三步:将烘干后的
Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理,温度为490℃,保温5.5h,得到结晶度较好的Al2O3/
Fe3O4@GNS复合粉体;第四步:将第三步得到的复合粉体进行研磨细化,研磨时间为4h;第五
步:将Al粉单独进行球磨5.8h,并用200目细筛去掉较大颗粒,得到细化的Al粉颗粒;第六
步:将第五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的复合粉体进行干法球磨,Al2O3/Fe3O4@
GNS质量分数为0.7%,其余为Al粉。球料比为10:1,球磨时间为8h;第七步:球磨结束后,将混
合粉末进行冷压,压强为660MPa,保压时间为0.9h,得到厚度为2.5mm,直径为1.5cm的压缩
试样;第八步:将第七步得到的压缩试样放入管式炉内,进行抽真空,压强为0.4Pa,烧结,烧
结温度为610℃,加热与冷却速率均为10℃/min。最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材
料;第九步:将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形降温时效处理,即
是在约束变形的同时进行时效,压力为170MPa,温度为200℃,时间为30h,降温速率为0.04
℃/min。所得材料的硬度值为 94.22 HV,提高了12.69%。
磨球为锆球,转速为290r/min,球磨时间为11h;第二步:球磨结束后,所得复合粉末用去离
子水洗涤4次,过滤,在170℃真空干燥2.5h,得到Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体;第三步:将烘干
后的Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体进行退火处理,温度为410℃,保温3.5h,得到结晶度较好的
Al2O3/Fe3O4@GNS复合粉体;第四步:将第三步得到的复合粉体进行研磨细化,研磨时间为
4.5h;第五步:将Al粉单独进行球磨5.9h,并用200目细筛去掉较大颗粒,得到细化的Al粉颗
粒;第六步:将第五步球磨后的Al粉颗粒与第四步研磨得到的复合粉体进行干法球磨,
Al2O3/Fe3O4@GNS质量分数为0.9%,其余为Al粉。球料比为10:1,球磨时间为8.8h;第七步:球
磨结束后,将混合粉末进行冷压,压强为690MPa,保压时间为0.5h,得到厚度为2.5mm,直径
为1.5cm的压缩试样;第八步:将第七步得到的压缩试样放入管式炉内,进行抽真空,压强为
0.1Pa,烧结,烧结温度为600℃,加热与冷却速率均为10℃/min。最终得到Al2O3/Fe3O4@GNS
增强铝基复合材料;第九步:将制备所得Al2O3/Fe3O4@GNS增强铝基复合材料进行压制变形
降温时效处理,即是在约束变形的同时进行时效,压力为130MPa,温度为185℃,时间为35h,
降温速率为0.05℃/min。所得材料的硬度值为 95.18 HV,提高了13.84%。