專利名稱：一種金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
某些使用金屬結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，為了減輕重量而采用空心金屬結(jié)構(gòu)焊接而成，如自行車車架、行李箱拉桿、工程梁等。這些空心結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣直接影響了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的使用性能和使用壽命，若使用強(qiáng)度較高的合金制造空心結(jié)構(gòu)會(huì) 造成成本較高，而廉價(jià)材料制成的空心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，在長(zhǎng)期使用過程中或在承受較大沖擊載荷時(shí)很難保證安全。在某些場(chǎng)合使用金屬實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)，雖然金屬實(shí)心結(jié)構(gòu)保證了承受載荷所需要的強(qiáng)度，但往往會(huì)存在重量大、耗費(fèi)材料多、成本高的問題，在安裝架設(shè)過程中需要耗費(fèi)大量的人力物力，并且高的自重對(duì)整體結(jié)構(gòu)的性能會(huì)帶來ー些安全隱患。多孔材料具有密度低，比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但脆性大，一旦開裂則無法繼續(xù)使用。金屬材料的塑性及韌性好、易于加工成型、使用過程中不易發(fā)生脆斷，但密度高、剛性差。在多孔材料中，玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠具有孔狀網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)、較低的密度和較大的表面積，通常作為隔熱材料、催化劑載體和吸附劑使用，但該材料脆性大、強(qiáng)度低，目前還沒有將其應(yīng)用到承重材料中的報(bào)道。自蔓延高溫合成(self - propagation high - temperature synthesis,簡(jiǎn)稱SHS):又稱為燃燒合成(combustion synthesis)技術(shù),是利用反應(yīng)物之間高化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用合成材料。當(dāng)反應(yīng)物一旦被引燃，熱量便會(huì)自動(dòng)向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播，直至反應(yīng)完全。目前有將SHS與離心鑄造相結(jié)合的SHS-離心法，用于制備陶瓷內(nèi)襯鋼管，所述陶瓷內(nèi)襯鋼管主要用于腐蝕性氣體和液體的運(yùn)輸(徐鑫.自蔓延-離心法合成陶瓷內(nèi)襯金屬管研究進(jìn)展·冶金能源，2000, 19(1) :50-53)。因此，有必要將高韌性的金屬與具有多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷進(jìn)行復(fù)合，得到一種高強(qiáng)度、低自重的金屬陶瓷復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，所述金屬陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度高、重量輕，金屬和陶瓷之間結(jié)合可靠。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和多孔陶瓷組成，其中多孔陶瓷為塊體材料，所述金屬外套通過自蔓延燃燒或粘接エ藝包覆在多孔陶瓷外部；其中，優(yōu)選當(dāng)金屬外套通過自蔓延燃燒エ藝包覆在多孔陶瓷外部時(shí)，金屬外套材料為鋼，多孔陶瓷為B4CAI2O3復(fù)相陶瓷；優(yōu)選當(dāng)金屬外套通過自蔓延燃燒エ藝包覆在多孔陶瓷外部時(shí)，金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法如下(I)將Al、碳黑和B2O3按9 I 10的重量比，經(jīng)混合、球磨、干燥、過篩后，得到混合粉體；(2)將混合粉體填充于垂直放置的鋼管中，壓實(shí)得到預(yù)制體；(3)將預(yù)制體放置在水平面上，一端涂抹點(diǎn)火劑，用鎢絲在涂抹點(diǎn)火劑的一端點(diǎn)火，在鎢絲兩端輸入220V的交流電壓，點(diǎn)燃混合粉體，SHS反應(yīng)開始；幾十秒后反應(yīng)完成，得到所述金屬陶瓷復(fù)合材料。優(yōu)選所述點(diǎn)火劑為こ醚。優(yōu)選當(dāng)金屬外套通過自蔓延燃燒エ藝包覆在多孔陶瓷外部時(shí)，金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法如下(I)將Al、碳黑和B2O3按9 I 10的重量比，經(jīng)混合、球磨、干燥、過篩后，得到混合粉體； (2)將混合粉體填充于垂直放置的鋼管中，壓實(shí)得到預(yù)制體；(3)將預(yù)制體橫置在爐腔內(nèi)，對(duì)爐腔抽真空至壓強(qiáng)< IOPa ;調(diào)節(jié)微波燒結(jié)爐功率為2 4Kw，開始加熱，10 20min之后，當(dāng)爐腔溫度達(dá)到110(Tl200°C時(shí)反應(yīng)物料被點(diǎn)燃，此時(shí)SHS反應(yīng)開始，可關(guān)閉電源。反應(yīng)放出的大量熱量使后續(xù)反應(yīng)可以在無外加熱源的狀態(tài)下自行進(jìn)行，整個(gè)反應(yīng)通常在幾十秒內(nèi)完成。其中，優(yōu)選當(dāng)金屬外套通過粘接エ藝包覆在多孔陶瓷外部時(shí)，金屬外套材料為鋼，多孔陶瓷為玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠；優(yōu)選當(dāng)金屬外套通過粘接エ藝包覆在多孔陶瓷外部時(shí)，金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法為將粘結(jié)劑涂覆在金屬外套內(nèi)壁，裝入玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠，固化后得到本發(fā)明所述的金屬陶瓷復(fù)合材料。優(yōu)選所述粘接劑為將E-44環(huán)氧樹脂和E-888固化劑混合后得到，E_44環(huán)氧樹脂的體積E-888固化劑的體積=100 20。優(yōu)選所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠的制備方法如下( I)制備玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠I. I制備ニ氧化硅溶膠將正硅酸こ酯和こ醇攪拌混合，在攪拌同時(shí)加入氨水進(jìn)行催化，得到ニ氧化硅溶膠；其中，正硅酸こ酯的體積こ醇的體積=1 1，加入氨水的體積為正硅酸こ酯和乙醇的體積總和的50% ；I. 2制備玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠將玻璃纖維浸入所述ニ氧化硅溶膠中，攪拌20min以上形成凝膠后，老化24h以
上，得到玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠；其中，玻璃纖維在ニ氧化硅溶膠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8wt%_20wt%，所述玻璃纖維為增強(qiáng)材料領(lǐng)域的常規(guī)選擇，如E-玻璃纖維、C-玻璃纖維、E-CR玻璃纖維、D-玻璃纖維、A-玻璃纖維；1.3超臨界干燥將玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠置于高壓釜中，在高壓釜中先通入ニ氧化碳保護(hù)，再通入液態(tài)ニ氧化碳，通過分子擴(kuò)散替換玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠中的こ醇；所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠在ニ氧化碳中浸泡3飛天后，升溫升壓到ニ氧化碳的超臨界狀態(tài)以上，保持2h以上，以排除凝膠中的雜質(zhì)；保持高壓釜溫度不變降壓至常壓，然后降低溫度至室溫，得到所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠；降壓速度為lMPa/5min、降溫速度為1° C/10min ;其中二氧化碳為超臨界干燥介質(zhì)，所述ニ氧化碳的超臨界狀態(tài)以上，為溫度高于31. 1° C、壓強(qiáng)高于7. 93MPa的狀態(tài)。有益效果(I)本發(fā)明提供了ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，所述材料以金屬材料為外套，多孔陶瓷為芯部的金屬陶瓷復(fù)合材料；所述復(fù)合材料中，多孔陶瓷對(duì)金屬外套起到剛性支撐作用，提高空心金屬外套的強(qiáng)度和使用性能；與空心金屬結(jié)構(gòu)相比，所述金屬陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度相對(duì)較高，重量小，成本低，易于制備；(2)本發(fā)明提供了所述金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，所述方法通過自蔓延燃燒或粘接エ藝，將原先用于吸附、催化領(lǐng)域的B4CVAl2O3復(fù)相陶瓷內(nèi)襯鋼管和玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠用于承重材料中，得到的金屬陶瓷復(fù)合材料具有良好的抗彎能力，取得了預(yù)料不到的技術(shù)效果。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。實(shí)施例Iー種金屬陶瓷復(fù)合材料，所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和多孔陶瓷組成，所述金屬外套通過自蔓延燃燒エ藝包覆在多孔陶瓷外部；其中，金屬外套材料為鋼；多孔陶瓷為B4CAl2O3復(fù)相陶瓷，制備過程如下(I)混合粉體的制備將Al、碳黑和B2O3混合，在200r/min下球磨8h后，90° C下恒溫干燥24h，用50目標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩將混合粉末過篩，得到混合粉體；其中Al粉、碳黑和B2O3的重量比為9 I 10；Al粉的純度99. 9%，粒度2 5 μ m ;碳黑的純度98. 5%，粒度O. 2 O. 3 μ m ；B203的純度98%，粒度I 150μπι;(2)預(yù)制體的制備將鋼管用濃度為2Μ的NaOH溶液和2Μ的HCl分別進(jìn)行清洗后，將混合粉體填充于垂直放置的鋼管中，邊填料邊壓實(shí)，得到預(yù)制體；由于混合粉體易被氧化，該預(yù)制體須在真空干燥箱中保存。(3)自蔓延燃燒合成復(fù)合材料將預(yù)制體放置在水平面上，一端涂抹點(diǎn)火劑，用鎢絲在涂抹點(diǎn)火劑的一端點(diǎn)火，在鎢絲兩端輸入220V的交流電壓，實(shí)現(xiàn)通電鎢絲對(duì)混合粉體的點(diǎn)燃；混合粉體點(diǎn)燃后，SHS反應(yīng)開始，反應(yīng)放出的大量熱量使后續(xù)反應(yīng)可以在無外加熱源的狀態(tài)下自行進(jìn)行；反應(yīng)完成后，鋼管自然冷卻，即可得到所需金屬陶瓷復(fù)合材料。其中，所述點(diǎn)火劑為こ醚。實(shí)施例2ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和多孔陶瓷組成，所、述金屬外套通過自蔓延燃燒エ藝包覆在多孔陶瓷外部；其中，金屬外套材料為鋼；多孔陶瓷為B4CAl2O3復(fù)相陶瓷，其中混合粉體和預(yù)制體的制備過程與實(shí)施例I相同，通過微波燒結(jié)法誘導(dǎo)自蔓延反應(yīng)合成金屬陶瓷復(fù)合材料，具體過程如下實(shí)驗(yàn)設(shè)備為南京杰全微波設(shè)備有限公司生產(chǎn)的微波馬孚爐，將預(yù)制體橫置在爐腔內(nèi)，用燒結(jié)爐配備的真空泵抽對(duì)爐腔抽真空至壓強(qiáng)< 10Pa。調(diào)節(jié)微波燒結(jié)爐功率為3Kw，開始加熱，Ilmin之后，當(dāng)爐腔溫度達(dá)到1100°C時(shí)反應(yīng)物料被點(diǎn)燃，此時(shí)SHS反應(yīng)開始，關(guān)閉電源。反應(yīng)放出的大量熱量使后續(xù)反應(yīng)可以在無外加熱源的狀態(tài)下自行進(jìn)行至反應(yīng)完成。實(shí)施例3ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和多孔陶瓷組成，所述金屬外套通過粘接エ藝包覆在多孔陶瓷外部；金屬外套材料為45鋼；多孔陶瓷為玻璃纖 維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠，所述金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法如下( I)制備玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠I. I制備ニ氧化硅溶膠將正硅酸こ酯和こ醇攪拌混合，在攪拌同時(shí)加入氨水進(jìn)行催化，得到ニ氧化硅溶膠；其中，正硅酸こ酯的體積こ醇的體積=1 1，加入氨水的體積為正硅酸こ酯和乙醇的體積總和的50% ；1.2制備玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠將玻璃纖維浸入所述ニ氧化硅溶膠中，攪拌20min形成凝膠后，老化24h，得到玻
璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠；其中，玻璃纖維在ニ氧化硅溶膠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt% ;所述玻璃纖維為E-玻璃纖維，型號(hào)為E⑶450。I. 3超臨界干燥將玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠置于高壓釜中，在高壓釜中先通入ニ氧化碳保護(hù)，再通入液態(tài)ニ氧化碳，通過分子擴(kuò)散替換玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠中的こ醇；所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠在ニ氧化碳中浸泡3天后，升溫升壓到ニ氧化碳的超臨界狀態(tài)以上，保持2h，以排除凝膠中的雜質(zhì)；保持高壓釜溫度不變降壓至常壓，然后降低溫度至室溫，得到所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠；降壓速度為lMPa/5min、降溫速度為1° C/10min ;其中二氧化碳為超臨界干燥介質(zhì)，所述ニ氧化碳的超臨界狀態(tài)以上，為溫度高于31. 1° C、壓強(qiáng)高于7. 93MPa的狀態(tài)；用排水法測(cè)得所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠的孔隙率為85%。(2)制備金屬陶瓷復(fù)合材料將所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化娃氣凝膠加工成長(zhǎng)度250mm,直徑分別為5mm、10mm、15mm的氣凝膠柱并稱重；米用長(zhǎng)度均為250mm、壁厚均為2mm,外徑分別為10mm、15mm、20mm的45鋼管,將粘
結(jié)劑均勻地涂覆在鋼管內(nèi)壁，裝入氣凝膠圓柱體。然后放置48h使粘結(jié)劑充分固化，得到所述金屬陶瓷復(fù)合材料；表I為得到的三組金屬陶瓷復(fù)合材料的相關(guān)信息；所述粘接劑為將E-44環(huán)氧樹脂和E-888固化劑混合后得到，E_44環(huán)氧樹脂的體積E-888固化劑的體積=100 20。表I金屬陶瓷復(fù)合材料
權(quán)利要求
1.ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和多孔陶瓷組成，其中多孔陶瓷為塊體材料，所述金屬外套通過自蔓延燃燒或粘接エ藝包覆在多孔陶瓷外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，其特征在于當(dāng)金屬外套通過自蔓延燃燒エ藝包覆在多孔陶瓷外部時(shí)，金屬外套材料為鋼，多孔陶瓷為B4CAl2O3復(fù)相陶瓷。
3.如權(quán)利要求2所述的ー種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述制備方法如下 (1)將Al、碳黑和B2O3按9:1:10的重量比，經(jīng)混合、球磨、干燥、過篩后，得到混合粉體； (2)將混合粉體填充于垂直放置的鋼管中，壓實(shí)得到預(yù)制體； (3)將預(yù)制體放置在水平面上，一端涂抹點(diǎn)火劑，用鎢絲在涂抹點(diǎn)火劑的一端點(diǎn)火，在鎢絲兩端輸入220V的交流電壓，點(diǎn)燃混合粉體，自蔓延燃燒反應(yīng)開始；反應(yīng)完成后得到所述金屬陶瓷復(fù)合材料。
其中，所述點(diǎn)火劑為こ醚。
4.如權(quán)利要求2所述的ー種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述制備方法如下 (1)將Al、碳黑和B2O3按9:1:10的重量比，經(jīng)混合、球磨、干燥、過篩后，得到混合粉體； (2)將混合粉體填充于垂直放置的鋼管中，壓實(shí)得到預(yù)制體； (3)將預(yù)制體橫置在爐腔內(nèi)，對(duì)爐腔抽真空至壓強(qiáng)<IOPa ;調(diào)節(jié)微波燒結(jié)爐功率為2 4Kw，開始加熱，當(dāng)爐腔溫度達(dá)到1100 1200で時(shí)自蔓延燃燒反應(yīng)開始；關(guān)閉電源，反應(yīng)完成后得到所述金屬陶瓷復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，其特征在于當(dāng)金屬外套通過粘接エ藝包覆在多孔陶瓷外部時(shí)，金屬外套材料為鋼，多孔陶瓷為玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述制備方法為將粘結(jié)劑涂覆在金屬外套內(nèi)壁，裝入玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠，固化后得到所述金屬陶瓷復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述粘接劑為將E-44環(huán)氧樹脂和E-888固化劑混合后得到，E-44環(huán)氧樹脂的體積E_888固化劑的體積=100 :20。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠的制備方法如下 (I)制備玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠 I. I制備ニ氧化硅溶膠 將正硅酸こ酯和こ醇攪拌混合，在攪拌同時(shí)加入氨水，得到ニ氧化硅溶膠； 其中，正硅酸こ酯的體積こ醇的體積=1:1，加入氨水的體積為正硅酸こ酷和乙醇的體積總和的50% ； I. 2制備玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠 將玻璃纖維浸入所述ニ氧化硅溶膠中，攪拌20min以上形成凝膠后，老化24h以上，得到玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠；其中，玻璃纖維在ニ氧化硅溶膠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8wt%-20wt% ； I. 3超臨界干燥 將玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠置于高壓釜中，在高壓釜中先通入ニ氧化碳保護(hù)，再通入液態(tài)ニ氧化碳； 所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅醇凝膠在ニ氧化碳中浸泡3飛天后，升溫升壓到ニ氧化碳的超臨界狀態(tài)以上，保持2h以上； 保持高壓釜溫度不變降壓至常壓，然后降低溫度至室溫，得到所述玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠；降壓速度為lMPa/5min、降溫速度為1° C/10min ;所述ニ氧化碳的超臨界狀態(tài)以上，為溫度高于31. 1° C、壓強(qiáng)高于7. 93MPa的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和多孔陶瓷組成，其中多孔陶瓷為塊體材料，所述金屬外套通過自蔓延燃燒或粘接工藝包覆在多孔陶瓷外部；優(yōu)選金屬外套材料為鋼，當(dāng)采用自蔓延燃燒時(shí)，多孔陶瓷為B4C/Al2O3復(fù)相陶瓷；當(dāng)采用粘接工藝時(shí)，多孔陶瓷為玻璃纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠。所述金屬陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度相對(duì)較高，重量小，成本低，易于制備、具有良好的抗彎能力。
文檔編號(hào)C04B37/02GK102700190SQ20121019347
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者萬明明, 孫川, 李云凱 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)