專利名稱：：輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料及其真空熱壓制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：航天電子器件在復(fù)雜的空間環(huán)境中，由于其中充滿各種高能帶電粒子和各波段的電磁輻射，如高能質(zhì)子、電子、中子、離子和無線電波、微波、X射線等，#合航天電子器件帶來嚴(yán)重的輻照損傷和電磁干擾，是航天器故障和失效的重要誘因。隨著航天器中大規(guī)模集成電路和各種禾4fi開用電子相機(jī)等輻射敏感組件的廣泛使用以及itX航天和高禾4S有效載荷對高安全性、高可靠性和高精度的要求，對輻射防護(hù)和電磁屏蔽提出了新的、更高的要求。除了從微電子器件設(shè)計的角度采用各種抗輻射加固技術(shù)外，研究既能抗輻射、質(zhì)輕，又具有一定機(jī)械性能的新型材料具有很重要的作用。目前輻射防護(hù)材禾將鉛、鐵、鋇、鴇、紅土基陶瓷復(fù)合材料、樹脂基防護(hù)材料及BaPbO3/2024Al復(fù)合材料等鉛、鐵、鋇、鉤等密度和原子序數(shù)較大的金屬，這類材料的比重大，單純采用這#屬作為輻射屏蔽材料會大大增加航天器的重量。Amritphale等人將氧化鐵、氧化鈦、氧化鋁、氧化硅等氧化物通過燒結(jié)制備了一種紅土基陶瓷復(fù)合材料，這種材料在X射線f遣低于250keV時具有良好的輻射防護(hù)性能，但其壓縮5驢和沖擊韌性,，密皿3.4g/cm3。以天然橡膠為載體，加入一定比例的吸收X射線的金屬化合物(PbO、W03等)和輔助材料(如促進(jìn)劑、防老劑等)，混煉硫化帝喊樹脂基防護(hù)材料；該類材料對X射線有良好的防護(hù)效果，但該類材料存在耐熱性差的問題，而且高分子材料在經(jīng)受一定劑量的光子輻射之后，材料內(nèi)部共,發(fā)生斷裂，引起材料降解、老化，材料結(jié)構(gòu)性能急劇下降，導(dǎo)致材料失效，嚴(yán)重制約了該類材料的應(yīng)用。采用擠壓鑄造方法制備了15y。體積含量的BaPbCV2024Al復(fù)合材料，其時效后的抗拉^t僅有124Mpa，比2024A1基體的(360Mpa)還要低。綜上，現(xiàn)有輻射防護(hù)材料雖然倉^滿足輻射防護(hù)性能的要求，但存在比重大、弓M低、穩(wěn)定性差的缺點，無法作為承載結(jié)構(gòu)俗OT。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有輻射防護(hù)材料存在比重大、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的缺點；而提供一種輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料及真空熱壓制備該材料的方法。本發(fā)明的復(fù)合材料具有較強(qiáng)的X射線和Y射線屏蔽能力、比重輕、穩(wěn)定性好和較高的抗拉強(qiáng)度，制備工藝簡單。本發(fā)明的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料由WOg和Al基體制成，其中W03占W03和Al基體總體積的320%。本發(fā)明的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的真空熱壓制備方法通過如下步驟來實現(xiàn)一、將W03和A1基體置于球磨罐中，用硬B旨酸作過程控制劑，在惰性氣體的f跌下，以20(M00轉(zhuǎn)/^H中的繊在行星式球磨禾腿行高能球磨812h，即制備出復(fù)合微粉，其中W03占W03和Al基體總體積的3%~20%，硬脂酸的用量是WCb和Al基體總質(zhì)量的0.5°/r5°/0，^$4比為10~20:1;二、將步驟一制得的復(fù)合微織入模具中，在真空度為10-210-3^[牛下，以515K/min的速度升鵬300。C^400。C，保溫3(M0min(目的充分揮發(fā)硬脂酸)，然后以相同的升,度升^M550~600°C，保溫同時施加2(K50MPa的壓力熱壓燒結(jié)復(fù)合微粉至致密度大于96%;即得到輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明采用了粉末冶金工藝，制得結(jié)構(gòu)功能一體化的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明采用真空熱壓燒結(jié)工藝，提高了粉末冶金材料的致密度和復(fù)合材料的抗拉弓雖，戶賴lj得的輻射防護(hù)離復(fù)合材料具有較強(qiáng)X射線和Y射線防護(hù)能力。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，W03用量為15voP/。帝恪的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的X射線吸收率為32.75%,較離高154.07%。燒結(jié)態(tài)復(fù)合材料纟驢達(dá)到245MPa。另外，采用真空熱壓及W03用量為5vol%、衡01%和15vom分另脾U備的輻射防護(hù)離復(fù)合材料，鄉(xiāng)射防護(hù)性能均較Al明顯提高，鄉(xiāng)射防護(hù)性旨級其力學(xué)性能如表1所示。本發(fā)明運用粉末冶金工藝帝U得結(jié)構(gòu)功能一體化的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的比重輕，其比重為2.72.96^cm3，W03占WCb和Al基體總體積的15%時得到產(chǎn)品的比重為2.9g/cm3。本發(fā)明通過高能球磨細(xì)化原始粉顆粒尺寸，從而^ft復(fù)合材料的燒結(jié)；并且通4過高能球磨破壞了原始鋁粉表面較厚氧化鋁殼層，使得wo3微粉擠入鋁基體，原位反應(yīng)得到WM2和Al203顆粒，生成顆粒的尺寸小且均勻分布鋁基體中，并且與基體結(jié)合良好，從而提高了產(chǎn)品的強(qiáng)度，并使其具有良好的穩(wěn)定性。本發(fā)明通過真空熱壓燒結(jié)工藝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，所制得的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料具有較強(qiáng)X射線和Y射線防護(hù)能力。研究結(jié)果表明采用本發(fā)明可以帝恪出可控體積分?jǐn)?shù)的鋁基復(fù)合材料，W03用量為15%(體積)制備的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的X射線吸收率為32.75%，較鋁提高154.07%;其拉伸雖達(dá)到245MPa。另外，采用真空熱壓及W03用量為5%(體積)、10%(體積)和15%(體積)分別制備的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，難射防護(hù)性能均較Al明顯提高，鄉(xiāng)射防護(hù)性能及其力學(xué)性能如表1所示。本發(fā)明制備工藝簡單，便于操作。圖1是具體實施方式十九中用量為15%(體積)的W03制得輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的SEM照片；圖2是具體實施方式十九中用量為15%(體積)的WCb制得輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料白點處電子探針成分分析(真空熱壓)圖；圖3是具體實施方式十九中用量為15%G狩只)的W03帝幌輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的X射線衍射分析圖，圖3中參表示W(wǎng)Alu，A表示A1。具體實肪式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。具體實施方式一:本實施方式的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料由W03和Al難制成，其中W03占W03和Al基體總體積的320%。本實施方式的復(fù)合材料的密度為2.7~2.96g/cm3。具體實施方式二本實施方式與具體實施方式一不同的是W03占W03和A1基體總體積的5~15%。其它與具體實施方式一相同。具體實施方式三本實施方式與具體實施方式一不同的是W03占W03和A1基體總體積的8~12%。其它與具體實施方式一相同。具體實施方式四本實施方式與具體實施方式一不同的是W03占W03和A1基體總體積的10%。其它與具體實施方式一相同。具體實施方式五本實施方式與具體實施方式一至四不同的是Al基體為純鋁或鋁合金。具體實施方式六本實施方式中輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的真空熱壓制備方法通過如下步驟來實現(xiàn)一、將W03和A1基體置于球磨罐中，用硬脂酸作過程控帝擠[J，在惰性氣體的保護(hù)下，以20(K400轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速在行星式球磨機(jī)進(jìn)行高能球磨812h，即制備出復(fù)合微粉，其中WO3占WO3和Al基體總^f只的3n/r20M，硬月旨酸的用量是WO3和Al基體總質(zhì)量的0.5。/^5。/。，球料比為10、20:1;二、將步驟一制得的復(fù)合微粉^A模具中，在真空度為10'2~10'3斜牛下，以515K/min的速度升^M30(rC40(rC，保溫3(M0min(目的充分揮發(fā)硬脂酸)，然后以相同的升溫速度升鵬55(K600。C，保溫同時施加2(K50MPa的壓力熱壓燒結(jié)復(fù)合微粉至致密度大于96%;即得到輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料。本實施方式中步驟一操作是為了使X射線和y射線光子吸收微粉均勻分布，同時進(jìn)一步細(xì)化鋁顆粒；步驟二中硬脂酸在37(TC左右開始揮發(fā)，為了獲得致密的材料，需要在370。C以后進(jìn)行一段時間的排氣；燒結(jié)過程中W03和A1發(fā)生原位反應(yīng)，通過多次試驗表明，55060(TC之間制備的材料性能最好。本實施方式適用于制備增強(qiáng)相為W03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gfcl都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。具體實施方式七本實施方式與具體實施方式六不同的是步驟一中W03占W03和Al基體總體積的5%~15%。其它步驟及參數(shù)與具體實施方^相同。具體實施方式八本實施方式與具體實施方式六不同的是步驟一中W03占WCb和Al基體總體積的8%~42%。其它步驟及參數(shù)與具體實施方^A相同。具體實施方式九本實施方式與具體實施方式六不同的是步驟一中W03占W03和Al基體總體積的10%。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式六相同。具體實施方式十本實施方式與具體實施方^A至九不同的是步驟一中硬脂酸的用量是W03和Al基體總質(zhì)量的1°/"%。其它步驟及參數(shù)與具體實施方^至九相同。具體實施方式十一本實施方式與具體實施方式六至九不同的是步驟一中硬脂酸的用量是W03和Al基體總質(zhì)量的2%。其它步驟及參數(shù)與具體實施方^A至九相同。具體實施方式十二本實施方式與具體實施方式六至九不同的是步驟一中硬脂酸的用量是WOs和Al基體總質(zhì)量的3%。其它步驟及參數(shù)與具體實施方^A至九相同。具體實施方式十三本實施方式與具體實施方式六至十二不同的是步驟一中球料比為1218:1。其它步驟及參數(shù)與具體實施方^A至十二相同。具體實施方式十四本實施方式與具體實施方式六至十二不同的是步驟一中球料比為15:1。其它步驟及參數(shù)與具體實施方^A至十二相同。具體實施方式十五本實施方式與具體實施方式六至十四不同的是步驟二所述的惰性氣體為氬氣。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式六至十四相同。具體實施方式十六本實施方式與具體實施方式六至十五不同的是步驟二所述的Al基體為純鋁或鋁合金。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式六至十五相同。具體實施方式十七本實施方式與具體實施方式六至十六不同的是步驟二中所述的熱壓燒結(jié)的壓力為3(M5MPa。其它步驟與參數(shù)與具體實施方^至十六相同。具體實施方式十八本實施方式與具體實施方式六至十六不同的是步驟二中所述的熱壓燒結(jié)的壓力為40MPa。其它步驟與參數(shù)與具體實施方式六至十六相同。具體實施方式十九本實施方式中輻射防護(hù)^復(fù)合材料的制備方法通過如下步驟來實現(xiàn)一、將W03和A1基體置于球磨罐中，用硬脂酸作過程控制劑，在氬氣的《娥下，以300轉(zhuǎn)/分鐘的織在行星式球磨t腿行高能球磨9h，即制備出復(fù)合微粉，其中W03占W03和A1基體總體積的515Q/。，硬脂酸的用量是W03和A1基體總質(zhì)量的0，/0，^f斗比為l(K20:1;二將步驟一帝幌的復(fù)合微粉m模具中，在真空度為10-210-3^f牛下，以10K/min的速度升驢400。C，保溫30min(目的充分揮發(fā)硬脂酸)，然后以相同的升溫速度升溫至60(TC，保溫同時施力口20MPa的壓力熱壓燒結(jié)復(fù)合微粉至致密度大于96%;即得到輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料。本實施方式步驟一中采用直徑為6mm、10mm和20mm的鋼球作為球磨介質(zhì)，6mm鋼球、10mm鋼球與20mm鋼球的個數(shù)比為100:25:1。本實施方式制得的復(fù)合材料性能見表1。本實施方式制備的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合7材料的SEM照片如圖1所示，對圖1白點進(jìn)行檢測的結(jié)果見圖2，同時結(jié)合圖3，可知白色相應(yīng)為WAl!2和Al203顆粒；由圖3可以看出，WAl!2和Al2CM敖粉較為均勻的分布在鋁基體上，高能球磨工藝和真空熱壓很好實現(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<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，其特征在于輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料由WO3和Al基體制成，其中WO3占WO3和Al基體總體積的3～20％。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W03占W03和Al基體總體積的5~15%。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W03占W03和Al基體總體積的10%。4、根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料，其特征在于Al基體為純鋁或鋁合金。5、如權(quán)利要求1所述輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的真空熱壓制備方法，其特征在于輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的制備方法M;如下步驟來實現(xiàn)一、將wo3和Al基體置于球磨罐中，用硬脂酸作過程控制劑，在隋性氣體的保護(hù)下，以20(M00轉(zhuǎn)/分鐘的繊在行星式球磨禾腿行高能球磨8~12h,艮P制備出復(fù)合微粉，其中W03占W03和Al基體總體積的3%~20%，硬脂酸的用量是W03和Al基體總質(zhì)量的0.5%^5%，球料比為10~20:1;二將步驟一帝幌的復(fù)合微粉^A模具中，在真空度為10'2l(y3^f牛下，以5~15K/min的諫度升溫至300°C~400°C，保溫3O~40min，然后以相同的升溫速度升溫至550~60(TC，保溫同時施加2(K50MPa的壓力熱壓燒結(jié)復(fù)合微粉至致密度大于96%;即得到輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟一中W03占W03和Al基體總傳浮只的5~15%。7、根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟二所述的惰性氣體為氬氣。8、根據(jù)權(quán)利要求7戶脫的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟二戶M的Al基體為純鋁或鋁合金。9、根據(jù)權(quán)利要求5、6或8所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟二中所述的熱壓燒結(jié)的壓力為3(M5MPa。10、根據(jù)權(quán)利要求5、6或8所述的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料的真空熱壓帝恪方法，其特征在于步驟二中所述的熱壓燒結(jié)的壓力為40MPa。全文摘要輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料及其真空熱壓制備方法，它涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有輻射防護(hù)材料存在比重大、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的缺點。本發(fā)明的輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料由WO₃和Al基體組成，其中WO₃占WO₃和Al基體總體積的3～20％。本發(fā)明的方法如下一、高能球磨法制復(fù)合微粉；二、在真空下熱壓燒結(jié)，即得到輻射防護(hù)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明的復(fù)合材料具有較強(qiáng)的X射線和γ射線屏蔽能力、比重輕、穩(wěn)定性好和較高的抗拉強(qiáng)度，并且本發(fā)明制備工藝簡單。文檔編號C22C32/00GK101565786SQ200910072159公開日2009年10月28日申請日期2009年6月2日優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日發(fā)明者馮義成,王慶偉,王桂松,林耿,范國華,鄭鎮(zhèn)洙申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)