專利名稱：輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料及兩級(jí)大氣熱壓制備該材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備工藝，具體涉及一種輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料及在大氣環(huán)境下用兩級(jí)熱壓粉末冶金法制備該輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的工藝。
背景技術(shù)：
電離輻射包括X射線和γ射線，人類已經(jīng)利用電離輻射近百年，它在許多領(lǐng)域與我們的生活息息相關(guān)，然而它的危害也十分明顯。同時(shí)，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天電子元器件工作在復(fù)雜的空間環(huán)境下，其中充滿各種高能粒子，如X射線和γ射線等，它們會(huì)造成航天電子器件嚴(yán)重的輻照損傷，電離輻射是航天器故障和失效的重要誘因。傳統(tǒng)的輻射防護(hù)材料如鉛、鐵、鎢以及新型的高分子基輻射防護(hù)復(fù)合材料，雖然能夠滿足輻射防護(hù)性能的要求，但卻存在比重大、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，無(wú)法作為承載結(jié)構(gòu)件使用。研究質(zhì)量輕、具有一定機(jī)械力學(xué)性能的新型輻射防護(hù)材料，不僅對(duì)于航天電子器件的安全使用和可靠性具有重要意義，而且對(duì)于大型民用防輻射輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件具有重要的應(yīng)用潛力。BaPbO3陶瓷材料自從1958年Von Rudolf等人發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其類似金屬的導(dǎo)電性而備受矚目。研究過(guò)程發(fā)現(xiàn)，BaPbO3基摻雜的陶瓷材料對(duì)于高能粒子(主要是X射線和γ射線)具有非常好的吸收性能。鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中最受注意的一類材料，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料近年來(lái)受到極大重視，其增強(qiáng)體價(jià)格較低，而且在制備上可以利用現(xiàn)有的金屬材料加工方法和設(shè)備，因而其材料成本大為降低。稀土摻雜的BaPbO3光子吸收微粉尺寸細(xì)小(＜1μm)，無(wú)法制備出預(yù)制塊，因而采用擠壓鑄造法是難以制備出復(fù)合材料的。傳統(tǒng)的粉末冶金法是一種成熟的金屬制品制造方法，用于短纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。這種方法必須將基體金屬制成粉末，并與增強(qiáng)物均勻混合，用專門的模具壓制成型、燒結(jié)等。粉末冶金法具有體積分?jǐn)?shù)可調(diào)，燒結(jié)溫度低，界面反應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)，然而需要采用氣體保護(hù)或真空條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜，成本高。目前，大氣環(huán)境下兩級(jí)熱壓粉末冶金法制備鋁基復(fù)合材料以及結(jié)構(gòu)功能一體化的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有輻射防護(hù)復(fù)合材料比重大、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，以及粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料需要采用氣體保護(hù)或真空條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜，成本高的不足，本發(fā)明旨在通過(guò)大氣環(huán)境下兩級(jí)熱壓控制氧化制備出BaPb1-xCexO3/Al復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有較強(qiáng)的X射線和γ射線屏蔽能力和較高的抗拉強(qiáng)度，制備工藝簡(jiǎn)單、成本低。
本發(fā)明的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料由增強(qiáng)相BaPb1-xCexO3和基體Al組成，其中BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的3～20％，0≤x≤0.5。
該復(fù)合材料的制備方法通過(guò)如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)一、高能球磨法制備BaPb1-xCexO3/Al復(fù)合微粉將BaPb1-xCexO3和基體Al置于球磨罐中，其中BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的3～20％，0≤x≤0.5，在惰性氣體保護(hù)下采用球磨機(jī)進(jìn)行高能球磨，球磨參數(shù)為轉(zhuǎn)速200～400轉(zhuǎn)/分鐘，球料比2～4∶1，球磨時(shí)間10～12小時(shí)；二、兩級(jí)熱壓燒結(jié)室溫下在鋼模中冷壓高能球磨后的復(fù)合粉至理論密度的50～65％，制得一定形狀的冷壓坯；然后以5～15℃/min的速度升溫加熱鋼模與復(fù)合材料，在260～300℃時(shí)保溫30～40min，熱壓材料至理論密度的75～85％；以相同的升溫速度加熱鋼模與復(fù)合材料，在530～560℃時(shí)保溫50～70min，熱壓材料至完全致密，在200～1000MPa的壓力作用下保壓3～7min，制得BaPb1-xCexO3/Al復(fù)合材料。
本發(fā)明突破了現(xiàn)有的鋁合金及其復(fù)合材料的粉末冶金工藝，制得結(jié)構(gòu)功能一體化的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料。復(fù)合材料增強(qiáng)功能相為稀土鈰摻雜的鉛酸鋇微粉，基體2024鋁合金。本發(fā)明采用兩級(jí)熱壓燒結(jié)工藝，合理控制了鋁合金的氧化及有氧參與的劇烈化學(xué)反應(yīng)，提高了粉末冶金材料的致密度和復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，降低了復(fù)合材料的燒結(jié)溫度，燒結(jié)過(guò)程不需氣體保護(hù)或真空條件，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，所制得的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料具有較高X射線和γ射線防護(hù)能力。本發(fā)明采用高能球磨破壞原始鋁合金粉表面較厚氧化鋁殼層，生成較薄氧化鋁殼層，并使得氧化鋁擠入鋁合金基體，使得光子吸收微粉均勻分布，同時(shí)細(xì)化原始粉顆粒尺寸，促進(jìn)復(fù)合材料的燒結(jié)。前期研究結(jié)果表明采用本發(fā)明可以制備出可控體積分?jǐn)?shù)的鋁基復(fù)合材料，該發(fā)明制備的5vol％BaPb1-xCexO3/2024Al復(fù)合材料的X射線和γ射線的吸收率分別為13.78％和8.21％，分別較2024鋁合金提高68.05％和46.63％。燒結(jié)態(tài)復(fù)合材料強(qiáng)度達(dá)到251MPa，強(qiáng)度指標(biāo)高于真空熱壓復(fù)合材料。另外，采用真空熱壓分別制備了BaPbO3體積分?jǐn)?shù)分別為5vol％、10vol％、15vol％的BaPbO3/2024鋁基復(fù)合材料，其輻射防護(hù)性能均較2024Al明顯提高，其輻射防護(hù)性能及其力學(xué)性能如表1所示。


圖1為大氣環(huán)境下復(fù)合材料冷壓坯的DSC及TG分析曲線圖；圖2為5vol％BaPbxCe1-xO3(x＝0.4)/2024Al復(fù)合材料的SEM照片(兩級(jí)大氣熱壓)；圖3為5vol％BaPbxCe1-xO3(x＝0.4)/2024Al復(fù)合材料白點(diǎn)處電子探針成分分析(兩級(jí)大氣熱壓)；圖4為5vol％BaPbxCe1-xO3(x＝0.4)/2024Al復(fù)合材料SEM照片(兩級(jí)大氣熱壓)。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料由增強(qiáng)相BaPb1-xCexO3和基體Al組成，其中BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的3～20％，0≤x≤0.5。
本實(shí)施方式的BaPb1-xCexO3/Al復(fù)合材料不僅適用于本發(fā)明所述兩級(jí)大氣熱壓制備方法，它同樣適用于本領(lǐng)域制備Al基復(fù)合材料的其他方法，例如真空熱壓法。本實(shí)施方式中所述基體Al為純鋁或鋁合金，優(yōu)選2024鋁合金。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是，BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的5％。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是，BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的10％。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是，BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的15％。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式中復(fù)合材料的制備方法通過(guò)如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)一、高能球磨制備復(fù)合微粉為實(shí)現(xiàn)X射線和γ射線光子吸收微粉的均勻分布，同時(shí)進(jìn)一步細(xì)化鋁合金顆粒，使用行星式球磨機(jī)惰性氣體保護(hù)下高能球磨，將BaPb1-xCexO3和Al基體置于球磨罐中，其中BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的3～20％，0≤x≤0.5，球磨參數(shù)為轉(zhuǎn)速200～400轉(zhuǎn)/分鐘，球料比2～4∶1，球磨時(shí)間10～12小時(shí)。
二、兩級(jí)熱壓燒結(jié)為防止復(fù)合微粉在大氣環(huán)境下的劇烈氧化，在研究過(guò)程中，將高能球磨后的復(fù)合粉冷壓至理論密度的60％左右，采用示差掃描熱分析法(DSC)和熱重分析法(TG)系統(tǒng)研究了復(fù)合微粉大氣環(huán)境下無(wú)壓燒結(jié)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。如圖1所示，由DSC曲線可以看出，在556.6℃和586.8℃時(shí)材料存在兩個(gè)明顯的放熱峰，并且TG曲線在放熱峰附近陡然上升，可以推斷在放熱峰附近可能存在兩個(gè)有氧參與的劇烈的化學(xué)反應(yīng)。另外，從TG曲線可以看出，在260～300℃之間，材料重量最低，可以推斷是由于物理吸附水和部分化學(xué)吸附水的揮發(fā)，可以認(rèn)為此時(shí)鋁合金尚未劇烈反應(yīng)。另外，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，冷壓坯密度低于復(fù)合材料理論密度75％時(shí)，粉末之間保持孔隙連通，而大于75％時(shí)，材料將形成與外界隔絕的自封閉系統(tǒng)，將不會(huì)存在鋁的氧化和有氧參與的劇烈化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)以上分析結(jié)果，可以確定以下兩級(jí)熱壓粉末冶金工藝(1)室溫下在鋼模中冷壓材料至理論密度的50～65％，制得一定形狀的冷壓坯；(2)以5～15℃/min的速度升溫，在260～300℃時(shí)，使得鋼模與復(fù)合材料冷壓坯保溫30～40min，熱壓材料至理論密度的75～85％，使得材料內(nèi)部空洞無(wú)法連通，氧氣無(wú)法進(jìn)入材料內(nèi)部，從而形成與空氣隔絕的自封閉系統(tǒng)；(3)以相同的升溫速度加熱鋼模與復(fù)合材料，在530～560℃時(shí)，保溫50～70min，熱壓材料至完全致密，在200～1000MPa壓力作用下保壓3～7min，從而制得BaPb1-xCexO3/Al復(fù)合材料。兩次高溫下大的熱壓變形保證了材料的燒結(jié)性和均勻性。
本實(shí)施方式適用于制備增強(qiáng)相為BaPb1-xCexO3和基體為Al的復(fù)合材料，它同樣適用于其他增強(qiáng)相增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料，從而可以延伸出更多的Al基復(fù)合材料，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)這一原理進(jìn)行的改進(jìn)都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。本實(shí)施方式中所述基體Al為純鋁或鋁合金，優(yōu)選2024鋁合金。
具體實(shí)施方式
六以制備5vol％BaPb1-xCexO3(x＝0.4)/2024Al復(fù)合材料為例，其他所有的鋁合金、增強(qiáng)相均適用于本實(shí)施方式所述方法。按照增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)含量計(jì)算出所需的BaPb1-xCexO3和2024鋁合金質(zhì)量，稱好，按照2∶1球料比將復(fù)合粉末與鋼球放入球磨罐中，抽真空，充氬氣，然后采用300轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨10小時(shí)，制得復(fù)合微粉。
將復(fù)合微粉放入鋼模中，冷壓材料至理論密度的60％左右，以5℃/min的升溫速度加熱至300℃，保溫30分鐘，熱壓材料至理論密度的85％左右，繼續(xù)升溫至560℃，保溫60分鐘，熱壓材料至完全致密，在300MPa壓力作用下保壓5分鐘，制得復(fù)合材料，燒結(jié)態(tài)復(fù)合材料性能見(jiàn)表1。由圖2、3電子探針成分分析可以看出，白點(diǎn)處富含Ba、Pb、O、Ce元素，說(shuō)明白色相應(yīng)為BaPbxCe1-xO3微粉，由圖4可以看出，BaPbxCe1-xO3微粉較為均勻的分布在鋁合金基體上，高能球磨工藝和兩級(jí)熱壓很好實(shí)現(xiàn)了材料的均勻化分布。
表1燒結(jié)態(tài)材料輻射防護(hù)及力學(xué)性能

權(quán)利要求
1.輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料由增強(qiáng)相BaPb1-xCexO3和基體Al組成，其中BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的3～20％，0≤x≤0.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，其特征在于BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，其特征在于BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的10％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，其特征在于BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的15％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述Al基體為純鋁或鋁合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述鋁合金為2024鋁合金。
7.兩級(jí)大氣熱壓制備輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征在于所述輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的制備方法通過(guò)如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)一、高能球磨法制備BaPb1-xCexO3/Al復(fù)合微粉將BaPb1-xCexO3和基體Al置于球磨罐中，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高能球磨，其中BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的3～20％，0≤x≤0.5，球磨參數(shù)為轉(zhuǎn)速200～400轉(zhuǎn)/分鐘，球料比2～4∶1，球磨時(shí)間10～12小時(shí)；二、兩級(jí)熱壓燒結(jié)室溫下在鋼模中冷壓高能球磨后的復(fù)合粉至理論密度的50～65％，制得一定形狀的冷壓坯；然后以5～15℃/min的速度升溫加熱鋼模與復(fù)合材料，在260～300℃時(shí)保溫30～40min，熱壓材料至理論密度的75～85％；以相同的升溫速度加熱鋼模與復(fù)合材料，在530～560℃時(shí)保溫50～70min，熱壓材料至完全致密，在200～1000MPa壓力作用下保壓3～7min，制得BaPb1-xCexO3/Al復(fù)合材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述兩級(jí)大氣熱壓制備輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征在于所述Al基體為純鋁或鋁合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述兩級(jí)大氣熱壓制備輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征在于所述鋁合金為2024鋁合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述兩級(jí)大氣熱壓制備輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征在于所述BaPb1-xCexO3/2024Al復(fù)合材料中，BaPb1-xCexO3占鋁基復(fù)合材料總體積的5％，x＝0.4。
全文摘要
輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料及兩級(jí)大氣熱壓制備該材料的方法，涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備工藝。為了解決現(xiàn)有輻射防護(hù)復(fù)合材料比重大、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，以及粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料需要采用氣體保護(hù)或真空條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜，成本高的不足，本發(fā)明的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料由BaPb
文檔編號(hào)C22C1/05GK1766149SQ20051001056
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者耿林, 范國(guó)華, 鄭鎮(zhèn)洙, 馮玉杰, 王桂松, 曹國(guó)劍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)