專利名稱：一種金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體表面高潤(rùn)濕性涂層改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體表面高潤(rùn)濕 性涂層改性方法。
背景技術(shù)：
材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。對(duì)材料性能提出了越來(lái)越高，越來(lái)越嚴(yán)和越 來(lái)越多的要求。在許多方面，傳統(tǒng)的單一材料已越來(lái)越不能滿足實(shí)際需要。復(fù)合材料是由兩 種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料可經(jīng)過(guò) 設(shè)計(jì)，即通過(guò)對(duì)原材料的選擇、各組成成分分布和工藝條件的保證等，使原組分材料優(yōu)點(diǎn)互 補(bǔ)，因而呈現(xiàn)了出色的綜合性能。其中，金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量、耐高溫、 耐磨損以及熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能，越來(lái)越受到重視，成 為各國(guó)高新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域。為了得到性能優(yōu)異且滿足各種需要的金屬基復(fù)合材料，需要有一個(gè)合適的界面， 使增強(qiáng)體與金屬基體之間具有良好的物理化學(xué)和力學(xué)上的相容性。大多數(shù)金屬基復(fù)合材料 中基體對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性不好，會(huì)引起復(fù)合材料制備困難、內(nèi)部缺陷多和界面結(jié)合強(qiáng)度低 等問(wèn)題，必需設(shè)法改善。另外，多數(shù)金屬基復(fù)合材料在制備過(guò)程中均發(fā)生不同程度的界面反 應(yīng)。嚴(yán)重界面反應(yīng)將造成增強(qiáng)體的損傷和形成脆性界面相等，十分有害。為了控制界面反 應(yīng)和抑制脆性界面的形成，必須對(duì)界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用相應(yīng)的措施。其中，對(duì)增強(qiáng)體 表面進(jìn)行涂層改性是一個(gè)切實(shí)可行的辦法。以往常用的方法有溶膠-凝膠法、電鍍法、化學(xué) 及物理沉積法、磁控濺射法、脈沖激光沉積法等。但是，這些方法都有其缺點(diǎn)。溶膠-凝膠法具有工藝簡(jiǎn)單，成本低廉、可在多孔或形狀復(fù)雜的材料表面進(jìn)行涂 層改性等優(yōu)點(diǎn)，但是溶膠_凝膠法只在氧化物涂層方面具有其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。而 氧化物涂層并不能徹底解決潤(rùn)濕性不好的問(wèn)題。2008年出版的《Ceramics International)) 第 34 卷雜志 “ Improvement of interface between Al and short carbon fibers by α -Al2O3Coatings deposited by sol-gel technology" (1787-179 Jlt ) 一文中 Tang 等 人利用溶膠-凝膠法在短碳纖維表面涂覆了 200-250nm厚的α-Al2O3涂層。雖然該氧化鋁 涂層大大的抑制了界面脆性相Al4C3的生成，但根據(jù)2003年出版的《Scripta Materialia)) 第 48 卷雜志“Wetting of (0001) α -Al2O3 single crystals by molten Al”(779_784 頁(yè)) 一文中Shen等人對(duì)熔融鋁與α-Al2O3(OOOl)面的接觸角做的研究表明，在700°C、800°C條 件下AVAl2O3之間的接觸角約為110°。眾所周知，當(dāng)接觸角大于90°時(shí)被認(rèn)為是不潤(rùn)濕 的。因此，Tang等人利用真空浸滲法，在730°C和7MPa的壓力條件下制備了短碳纖維增強(qiáng) 鋁基復(fù)合材料。較大的制備壓力不僅會(huì)提高成產(chǎn)成本，還會(huì)造成預(yù)制體的變形，進(jìn)而降低材 料的力學(xué)性能。因此，在碳纖維表面涂覆氧化鋁涂層雖然可以避免發(fā)生界面反應(yīng)，但還不能 很好的解決界面潤(rùn)濕性的問(wèn)題。電鍍法雖然已經(jīng)是成熟的技術(shù)，但不能在多孔的材料的內(nèi)表面進(jìn)行涂層改性。另 外，在制備金屬基復(fù)合材料的過(guò)程中，電鍍的金屬涂層往往會(huì)溶于金屬基體之中。這導(dǎo)致增強(qiáng)體與金屬基體直接接觸，形成脆性相。例如碳纖維表面電鍍銅、鎳等金屬涂層。在復(fù)合 材料的制備過(guò)程中，金屬涂層雖然可以大大提高增強(qiáng)體與熔融鋁基體之間的潤(rùn)濕性，但是 涂層很快溶于鋁基體，進(jìn)而在界面處生成了脆性相Al2Cu和Al3Ni,降低了材料的力學(xué)性能。 另外，銅、鎳等金屬在一定的條件下對(duì)碳纖維有損傷作用，使得這類涂層的應(yīng)用受到了一定 的限制?；瘜W(xué)及物理沉積、磁控濺射、脈沖激光沉積等方法，一般都不適用于在多孔的材料 的內(nèi)表面進(jìn)行涂層改性。另外，造價(jià)高也是制約其應(yīng)用的一個(gè)重要方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體表面高潤(rùn)濕性涂層改性方法，該 改性方法能有效地克服現(xiàn)有技術(shù)中的諸多不足。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為該方法包括如下步驟①利用常規(guī)的涂層制備方法在增強(qiáng)體表面涂覆還性低于鎂的金屬氧化物涂層；②將涂覆金屬氧化物涂層的增強(qiáng)體和純鎂放入真空爐中，純鎂置于爐底，增強(qiáng)體 置于純鎂上方，抽真空，保持真空度低于10Pa，升溫至600-70(TC，保溫5_60分鐘，使鎂蒸氣 與增加體表面金屬氧化物涂層發(fā)生氧化_還原反應(yīng)，生成反應(yīng)層即可。步驟①所述的常規(guī)的涂層制備方法包括溶膠-凝膠法、磁控濺射法、脈沖激光沉 積法、化學(xué)氣相沉積法。通過(guò)調(diào)整步驟①涂覆金屬氧化物涂層厚度及步驟②中溫度及保溫時(shí)間可控制反 應(yīng)層的厚度，該反應(yīng)層的厚度可控制在20-200nm。本發(fā)明方法是對(duì)由常規(guī)方法制備的金屬氧化物涂層進(jìn)行鎂蒸氣處理，以實(shí)現(xiàn)二次 改性，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本方法工藝簡(jiǎn)單可控、對(duì)設(shè)備要求低，成本低廉，并可在多孔或形狀復(fù)雜的材 料內(nèi)表面進(jìn)行涂層改性，適用范圍廣泛。(2)生成的反應(yīng)層主要是由氧化鎂或尖晶石等化合物組成的內(nèi)層和被還原金屬組 成的外層構(gòu)成的復(fù)合層，該復(fù)合層緊緊包裹著增強(qiáng)體，其中內(nèi)層可以有效抑制增強(qiáng)體與金 屬基體之間的元素?cái)U(kuò)散，控制界面反應(yīng)的發(fā)生；外層可以大大提高熔融金屬基體與增強(qiáng)體 之間的潤(rùn)濕性，減少金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中材料內(nèi)部缺陷，降低了金屬基復(fù)合材料制 備所需的最小壓力，提高復(fù)合材料的力學(xué)及物理性能。(3)通過(guò)控制原始氧化物涂層厚度，利用鎂蒸汽還原的金屬對(duì)金屬基體進(jìn)行元素 微量調(diào)整，可進(jìn)一步改善復(fù)合材料基體的微觀組織，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 碳纖維增強(qiáng)體的金屬鈦復(fù)合涂層表面改性①把水和硝酸溶解于異丙醇中。在不停攪拌的條件下，配制的溶液被逐滴加入到 鈦酸異丙酯中。鈦酸異丙酯、異丙醇、水、硝酸的比例為1 6 0.9 0.6。經(jīng)過(guò)連續(xù)3小 時(shí)攪拌獲得TiO2溶膠。②把碳纖維放在真空條件下進(jìn)行除膠熱處理。熱處理溫度為400°C，并保溫30分 鐘，然后爐冷。
③把除膠后的碳纖維放入TiO2溶膠中，用超聲波振蕩器振蕩15分鐘后，取出碳纖 維。④把表面涂覆TiO2涂層的碳纖維和純鎂放到真空爐中，把純鎂置于真空爐的底 部，增強(qiáng)體置于純鎂上方的不銹鋼網(wǎng)上，并蓋上蓋板，抽真空到IOPa以下。為在碳纖維表面 獲得致密的TiO2涂層，以3°C每分鐘的速度升溫到450°C，并保溫30分鐘。然后再升溫至 7000C，并保溫10分鐘，使鎂蒸氣與增加體表面金屬氧化物涂層發(fā)生氧化_還原反應(yīng)，生成 反應(yīng)層。⑤關(guān)掉真空爐的加熱電源，保持真空，爐冷。⑥取出鎂蒸氣處理的碳纖維，完成涂覆TiO2涂層的碳纖維增強(qiáng)體的改性；反應(yīng)層 厚度為20-50nm。經(jīng)過(guò)金屬鈦復(fù)合涂層表面改性后，利用真空無(wú)壓浸滲法制備的45vol. %國(guó)產(chǎn)連續(xù) 纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到980MPa。實(shí)施例2 碳纖維增強(qiáng)體的金屬鋯復(fù)合涂層表面改性①把硝酸釔和氧氯酸鋯按摩爾比5 95加入到去離子水中，用磁攪拌器攪拌均勻 后，獲得5% Y2O3穩(wěn)定&02溶膠-凝膠先驅(qū)體溶液。把陰離子交換樹(shù)脂緩慢添加到5% Y2O3 穩(wěn)定溶膠-凝膠先驅(qū)體溶液中，制得PH值為3的5 % Y2O3穩(wěn)定&02溶膠-凝膠。②把碳纖維放在真空條件下進(jìn)行除膠熱處理。熱處理溫度為400°C，并保溫30分 鐘，然后爐冷。③把除膠后的碳纖維放入5% Y2O3穩(wěn)定&02溶膠_凝膠中，用超聲波振蕩器振蕩 15分鐘后，取出碳纖維。④把表面涂覆5% Y2O3穩(wěn)定&02涂層的碳纖維放到真空爐中，抽真空。為在碳纖 維表面獲得致密的5% Y2O3穩(wěn)定&02涂層，以3°C每分鐘的速度升溫到750°C，并保溫30分 鐘，隨后爐冷。⑤把熱處理后的5% Y2O3穩(wěn)定&02涂層涂覆的碳纖維和純鎂放到真空爐中，把 純鎂置于真空爐的底部，增強(qiáng)體置于純鎂上方的不銹鋼網(wǎng)上，并蓋上蓋板，抽真空到IOPa 以下。然后升溫至60(TC，并保溫30分鐘，使鎂蒸氣與增加體表面金屬氧化物涂層發(fā)生氧 化_還原反應(yīng)，生成反應(yīng)層即可。 ⑥關(guān)掉真空爐的加熱電源，保持真空，爐冷。⑦取出鎂蒸氣處理的碳纖維，完成金屬鋯復(fù)合涂層涂覆的碳纖維增強(qiáng)體的改性， 反應(yīng)層厚度為20-50nm。經(jīng)過(guò)金屬鋯復(fù)合涂層表面改性后，利用真空無(wú)壓浸滲法制備的45vol. %國(guó)產(chǎn)連續(xù) 纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到1080MPa。
權(quán)利要求
一種金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體表面高潤(rùn)濕性涂層改性方法，包括如下步驟①利用常規(guī)的涂層制備方法在增強(qiáng)體表面涂覆還性低于鎂的金屬氧化物涂層；②將涂覆金屬氧化物涂層的增強(qiáng)體和純鎂放入真空爐中，純鎂置于爐底，增強(qiáng)體置于純鎂上方，抽真空，保持真空度低于10Pa，升溫至600 700℃，保溫5 60分鐘，使鎂蒸氣與增加體表面金屬氧化物涂層發(fā)生氧化 還原反應(yīng)，生成反應(yīng)層即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體表面高潤(rùn)濕性涂層改性方法，其 特征是步驟①所述的常規(guī)的涂層制備方法包括溶膠_凝膠法、磁控濺射法、脈沖激光沉積 法、化學(xué)氣相沉積法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體表面高潤(rùn)濕性涂層改性方 法，其特征是所述的反應(yīng)層由化合物組成的內(nèi)層和被還原金屬組成的外層構(gòu)成，其厚度可 控制在20-200nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體表面高潤(rùn)濕性涂層改性方法，包括如下步驟①利用常規(guī)的涂層制備方法在增強(qiáng)體表面涂覆還性低于鎂的金屬氧化物涂層；②將涂覆金屬氧化物涂層的增強(qiáng)體和純鎂放入真空爐中，純鎂置于爐底，增強(qiáng)體置于純鎂上方，抽真空，保持真空度低于10Pa，升溫至600-700℃，保溫5-60分鐘，使鎂蒸氣與增加體表面金屬氧化物涂層發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，生成由化合物組成的內(nèi)層和被還原金屬組成的外層構(gòu)成的復(fù)合層即可。該發(fā)明方法具有工藝簡(jiǎn)單可控、對(duì)設(shè)備要求低，成本低廉，適用范圍廣泛，力學(xué)及物理性能高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C47/04GK101899631SQ201010242048
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月26日
發(fā)明者張國(guó)福, 王文廣, 謝禹鈞 申請(qǐng)人:遼寧石油化工大學(xué)