專利名稱：一種制備塊體鋁基納米復合材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬納米復合材料的制備技術，特指一種制備塊體鋁基納米復合材料的方法-超聲化學法。
背景技術：
金屬基納米復合材料(Metal Matrix Nanocomposites，MMNCs)因兼有金屬和非金屬納米相而具有獨特的結構特征和物理、力學及電學性能，成為一種新興的納米復合材料和新型金屬功能材料，近年來已被越來越多的材料學家所認識，且其應用潛力巨大。該類材料由于納米材料所具有的獨特的尺寸效應、局域場效應、量子效應以及表面效應，表現(xiàn)出不同于一般宏觀復合材料的力學、熱學、電磁學和光電性能，而更為引人關注的是，納米復合材料還具有原組分不具備的特殊性能或功能，這為設計和制備高性能、多功能新材料提供了新的空間。特別是鋁基納米復合材料，由于其具有高的比強度、比模量，出色的抗疲勞能力，很好的耐熱性、耐摩擦性、耐腐蝕性，另外還具有特殊的電、磁等功能特性，且可用常規(guī)技術進行二次加工，成本大幅度降低等優(yōu)點，因此在先進的電子器件、航空航天器、光學器件、精密機械器件、醫(yī)療器件等領域具有廣闊的應用前景，已成為近年來納米復合材料及金屬材料交叉領域中的研究熱點，世界各國都用巨額投資進行研究和開發(fā)。然而，鋁基納米復合材料的制備十分困難，到目前為止，國內外仍然無法直接制備塊狀鋁基納米復合材料。其原因在于一方面存在納米增強體與金屬基之間潤濕性差和界面反應難以控制的問題，另一方面無機的納米粒子容易在制備或成形過程中迅速團聚或晶粒長大，因而喪失納米效應。
超聲化學(sonochemistry)是聲學與化學相互交叉滲透而發(fā)展起來的新興交叉和前沿學科，它主要是利用超聲波加速和控制化學反應、提高反應產率、改變反應歷程和改善反應條件以及引發(fā)新的化學反應等的一門學科。用于化學反應中的超聲波波速約為1500m/s，波長為10～0.01cm，頻率范圍為20kHz左右，超聲功率為500～1500W之間。超聲化學主要源于聲空化——液體中空腔的形成、振蕩、生長收縮及崩潰，以及引發(fā)的物理和化學變化。此外，由于超聲化學法是將物理方法與化學方法有機結合起來的一種方便、有效、安全的技術，因此已引起人們極大的興趣和高度重視，并發(fā)展成為一個蓬勃發(fā)展的研究領域。目前，超聲化學的研究已涉及到材料、化學、化工的各個領域，特別是納米材料的合成和處理已成為超聲化學的前沿交叉研究領域。然而，利用超聲波加速和控制金屬基復合材料的原位合成反應，即超聲化學原位合成金屬基納米復合材料至今尚未見報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明開發(fā)了基于超聲化學反應合成鋁基原位納米復合材料的方法，在超聲場下開展鋁熔體與無機鹽的化學反應合成，并通過快速凝固技術，進一步控制原位合成顆粒尺寸在納米尺度，從而獲得鋁基納米復合材料。
一種制備塊體鋁基納米復合材料的方法，其特征在于將超聲化學方法與原位合成技術集成應用于制備塊體鋁基納米復合材料，具體如下將純鋁或其合金加熱熔化，加熱溫度為純鋁或其合金熔點以上的300～400℃；將按配比混合的含顆粒形成元素的化合物粉體加入基體熔液中，同時施加功率超聲波作用，超聲波波速約為1500m/s，頻率為20kHz，超聲功率為500～1500W之間，使反應在超聲波作用下充分進行超聲化學合成。在超聲化學反應的同時進行保溫，保溫時間為10～30min。反應結束后，靜置5～10min，進行氮氣除氣精煉，時間10～15min；快速澆入水冷模中，從而制備內生納米顆粒增強鋁基復合材料塊體。
含顆粒形成元素的化合物粉體指ZrSiO4和B2O3的混合物、Zr(CO3)2和B2O3的混合物或ZrOCl2和B2O3混合物中的一種；按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行均勻混合。
含顆粒形成元素的化合物粉體在加入基體熔液之前，加熱進行脫水處理。


為了結合實施圖對本發(fā)明作更詳細的描述，現(xiàn)把本申請文件所使用的附圖名稱及編號簡介如下圖1超聲化學合成工藝流程圖；圖2鋁基納米復合材料微觀組織圖；
具體實施例方式
實施例1將ZrSiO4+B2O3的混合粉，按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行均勻混合，然后在200℃下預熱2h后加到860℃熔融的鋁，混合粉加入量為鋁液的10wt％，并在超聲波作用下進行超聲化學反應原位合成，超聲頻率為20kHz，超聲功率為500W，超聲化學反應合成15min后，靜置5min，進行氮氣精煉10min，隨后澆入水冷銅模中，從而制備內生納米(ZrB2+Al2O3+Al3Zr)顆粒增強鋁基復合材料，顆粒體積分數(shù)為8.6％。
實施例2將Zr(CO3)2+B2O3的混合粉，按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行均勻混合，然后在200℃下預熱2h后加到900℃熔融的鋁合金A356.2(A1-7％Si-0.3％Mg)中，混合粉加入量為鋁液的15wt％，并在超聲波作用下進行超聲化學反應原位合成，超聲頻率為20kHz，超聲功率為1000W，超聲化學反應合成30min后，靜置10min，進行氮氣精煉15min，隨后澆入水冷銅模中，從而制備內生納米(ZrB2+Al2O3+Al3Zr)顆粒增強鋁基復合材料，顆粒體積分數(shù)為12.8％。
實施例3將ZrOCl2+B2O3的混合粉，按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行均勻混合，然后在200℃下預熱2h后加到900℃熔融的鋁，混合粉加入量為鋁液的20wt％，并在超聲波作用下進行超聲化學反應原位合成，超聲頻率為20kHz，超聲功率為1500W，超聲化學反應合成25min后，靜置10min，進行氮氣精煉10min，隨后快速澆入水冷鋼模中，從而制備內生納米(ZrB2+Al2O3+Al3Zr)顆粒增強銅基復合材料，顆粒體積分數(shù)為16.7％。
權利要求
1.一種制備塊體鋁基納米復合材料的方法，其特征在于將超聲化學方法與原位合成技術集成應用于制備塊體鋁基納米復合材料，具體如下將純鋁或其合金加熱熔化，加熱溫度為純鋁或其合金熔點以上的300～400℃；將按配比混合的含顆粒形成元素的化合物粉體加入基體熔液中，同時施加功率超聲波作用，超聲波波速約為1500m/s，頻率為20kHz，超聲功率為500～1500W之間，在超聲化學反應的同時進行保溫，保溫時間為10～30min，反應結束后，靜置5～10min，進行氮氣除氣精煉，時間10～15min；快速澆入水冷模中。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種制備塊體鋁基納米復合材料的方法，其特征在于，其特征在于含顆粒形成元素的化合物粉體指ZrSiO4和B2O3的混合物、Zr(CO3)2和B2O3的混合物或ZrOCl2和B2O3混合物中的一種；按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行均勻混合。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于超聲化學反應合成鋁基原位納米復合材料的新方法，其特征在于含顆粒形成元素的化合物粉體在加入基體熔液之前，加熱進行脫水處理。
全文摘要
一種制備塊體鋁基納米復合材料的方法，屬于復合材料的制備技術領域，其特征在于將超聲化學方法與原位合成技術集成應用于制備塊體鋁基納米復合材料，具體如下將純鋁或其合金加熱熔化，加熱溫度為純鋁或其合金熔點以上的300～400℃；將按配比混合的含顆粒形成元素的化合物粉體加入基體熔液中，同時施加功率超聲波作用，超聲波波速約為1500m/s，頻率為20kHz，超聲功率為500～1500W之間，使反應在超聲波作用下充分進行超聲化學合成。在超聲化學反應的同時進行保溫，保溫時間為10～30min。反應結束后，靜置5～10min，進行氮氣除氣精煉，時間10～15min；快速澆入水冷模中，從而制備內生納米顆粒增強鋁基復合材料塊體。本發(fā)明具有方便，安全，成本低等一系列優(yōu)點。
文檔編號C22C1/00GK101016592SQ200610088368
公開日2007年8月15日 申請日期2006年7月14日 優(yōu)先權日2006年7月14日
發(fā)明者趙玉濤, 陳剛, 程曉農, 戴起勛 申請人:江蘇大學