累積疊軋及熱處理制備多層結構的金屬/納米粒子復合材料的方法技術

本發明專利技術公開一種累積疊軋及熱處理制備多層結構的金屬/納米粒子復合材料的方法。以厚度適中的層狀高通孔率的泡沫金屬為骨架，在上面負載一層厚度均勻的納米陶瓷粒子薄膜，經累積疊軋后泡沫金屬的空隙完全消失，實現了在固相制備過程中高體積比例納米陶瓷粒子在金屬中的均勻分散。本發明專利技術能將不同陶瓷粒子與不同泡沫金屬復合為多層納米晶、超細晶復合材料，納米陶瓷粒子與金屬界面結合強、多層金屬結構間界面結合強。產品具有塑性韌性好、疲勞拉伸強度高、導電性優異、無毒性等特點；工藝簡單、操作方便，一定程度上解決了傳統工藝不能將納米粉均勻分散到金屬中的難題。

Method for preparing laminated metal / nano composite material by accumulative roll bonding and heat treatment

The invention discloses a method for preparing laminated metal / nanoparticle composite material by accumulative roll bonding and heat treatment. Metal foam using layered Qualcomm moderate thickness porosity for the skeleton, load nano ceramic particles with a film of uniform thickness on top of the gap after Accumulative Rolling of metal foam completely disappeared, achieved in the preparation of high dispersed phase volume ratio of nano ceramic particles in the metal process. The invention can combine the different ceramic particles and the different foam metals into a plurality of nano crystalline and super crystal composite materials, and the interface between the nano ceramic particles and the metal is strong, and the interface between the multilayer metal structures is strong. The product has good plasticity and toughness, fatigue, high tensile strength, excellent conductivity, non-toxic characteristics; simple process and convenient operation, to a certain extent to solve the traditional process can not be uniformly dispersed into nano powder problem in metal.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種復合材料的制備工藝，特別涉及到一種累積疊軋及熱處理制備多層結構的金屬/納米粒子復合材料的方法。
技術介紹
傳統的制備納米陶瓷粒子增強金屬基復合材料的方法或多或少地存在一些缺陷。例如，生產出的金屬基復合材料強化相分散不均勻；強化相與金屬熔液難以潤濕；金屬基復合材料內部孔隙度過多。將不同種類納米陶瓷粒子增強金屬基復合材料二次加工，如擠壓、軋制和鍛造則更存在高昂的生產成本，多層結構的金屬間界面結合脆弱的問題。納米陶瓷粒子增強金屬基復合材料的制備過程必須根據不同金屬基復合材料的強化相種類、強化相形態、強化相含量、復合材料的微觀結構和力學性能需求等因素的不同而采用不同制備工藝。累積疊軋是由日本人Y.Saito和N.Tsuji于1998年專利技術的一種大塑性變形方法，該方法被廣泛用來制備大塊超細晶結構金屬板材。利用累積疊軋焊的復合技術使兩種或兩種以上物理、化學和力學性能不同的金屬在界面上實現牢固冶金結合而制備出的一種新型層狀金屬復合材料，在許多領域獲得了廣泛的應用。例如，中國專利201310125199.6公開了一種提高銅合金抗應力松弛能力的累積疊軋及熱處理方法，采用經過固溶處理的厚度為1～5mm的彈性銅合金板材為原料。中國專利201410570336.1公開了一種金屬層狀微梯度復合材料制備方法。主要是利用同系列異質多層金屬軋制復合與熱處理工藝，通過合金元素的界面擴散而獲得微梯度復合材料。中國專利201510279542.1公開了一種鋁基石墨烯復合材料的制備方法。該工藝避免了傳統粉末冶金工藝高能球磨對石墨烯的破壞，以泡沫鋁為骨架可以實現其有效分散，在實現提高復合材料高熱導率性能和低熱膨脹系數的基礎之上，使鋁/碳高導熱復合材料的生產更加簡單化。以上文獻的調研和這些專利檢索表明，均不涉及多層結構的金屬/納米粒子復合材料累積疊軋制備及熱處理方法。
技術實現思路
本專利技術將不同陶瓷粒子與不同泡沫金屬復合，并累積疊軋為多層納米晶、超細晶復合材料，實現納米陶瓷粒子與金屬界面結合強、多層結構的金屬間界面結合強的目的，特征是實現在固相制備工藝中將高比例納米陶瓷粒子在金屬中均勻分散。具體步驟為：（1）制備納米陶瓷粒子膠體：將30g平均粒徑為30~300nm的納米陶瓷粉、2~3g分散劑、3~5g增塑劑、2~4g羧甲基纖維素、5~10g粘結劑和1~5g消泡劑加入1000mL蒸餾水混合均勻，向漿料中加入堿性物質將pH值調至9~12，經過真空球磨30~300分鐘，再利用真空減壓攪拌和超聲波振蕩將納米陶瓷粉分散在溶劑蒸餾水中后脫除汽泡，形成納米陶瓷粒子膠體，納米陶瓷粒子在溶劑分散液中含量為0.5~5mg/mL。（2）泡沫金屬表面處理：以拉伸強度為10MPa、孔徑為20~120PPI、通孔率為70%~98%的三維連通網孔狀結構的泡沫金屬為原料，裁剪成厚度為1~5mm規格相同的板材；然后浸泡在重量百分比濃度為0.1~10％的酸性物質中保持30分鐘，取出后在真空度50~200Pa、氮氣或氬氣下，溫度50~150℃，干燥30~300分鐘。（3）負載膠體薄膜：將步驟（2）干燥后的泡沫金屬用步驟（1）獲得的納米陶瓷粒子膠體噴淋或浸泡0.5~4小時，保持膠體溫度20~50℃，晾干后又進行噴淋或浸泡，重復3次，獲得厚度20~100μm均勻致密的納米陶瓷粒子膠體負載層。（4）排膠：取出步驟（3）所得具有納米陶瓷粒子膠體負載層的泡沫金屬于200~300℃干燥12小時后排除膠體的膠質和水分，獲得納米陶瓷粒子/泡沫金屬復合體，此時納米陶瓷粒子質量為連通孔泡沫金屬的1~20％。（5）組裝和預熱：將步驟（4）處理后的納米陶瓷粒子/泡沫金屬復合體兩塊或三塊，將表面壓合在一起后，將板材四周用鉚接固定，置于氬氣保護下的加熱爐中，加熱至400~500℃，保溫1~2小時，上述納米陶瓷粒子/泡沫金屬復合體的組合方式為：雙層同質（Cu/Cu，Al/Al，Ni/Ni，Fe/Fe等）、雙層異質（Cu/Al，Cu/Fe，Cu/Ni，Ni/Al，Fe/Ni，Al/Fe等）或三層異質（Cu/Al/Fe，Cu/Al/Ni，Cu/Fe/Ni，Cu/Al/Cu，Al/Ni/Al，Ni/Cu/Ni，Fe/Ni/Fe等）。（6）累積疊軋與裁剪：取出步驟（5）預熱后的板材用軋機進行一個道次的軋制變形，壓下量50%，軋制壓力50~300MPa，然后裁剪成形狀相同的2份后按照順序疊放整齊將板材四周用鉚接固定，置于氬氣保護下的加熱爐中，加熱至400~500℃取出，進行第2次的累積疊軋操作。（7）重復步驟（5）和（6），共疊軋5~8次，制備出金屬復合板材。（8）冷軋變形：將步驟（7）累積疊軋后的金屬復合板材繼續進行冷軋變形，道次變形量為15~30%，軋制壓力200~400MPa，然后經軋機軋制成型得合金板材。（9）熱處理：將步驟（8）冷軋變形后的合金板材加熱到200～550℃，保溫60～300分鐘，在空氣中冷卻至室溫，得。所述納米陶瓷粉為平均粒徑為30-300nm的SiC、B4C、Al2O3，SiO2、TiB2、BN和MoS2中的一種或多種。所述分散劑為三硬脂酸甘油酯或乙烯基雙硬脂酰胺。所述增塑劑為鄰苯二甲酸二正辛酯或鄰苯二甲酸丁芐酯。所述粘結劑為聚醛基粘結劑或油基粘結劑。所述消泡劑為乳化硅油或高碳醇脂肪酸酯復合物。所述堿性物質為分析純氫氧化鈉或氫氧化鉀和氫氧化鋁。所述酸性物質為磷酸或亞硫酸和硝酸中。所述泡沫金屬為泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫銅和泡沫鐵中的兩種或三種。本專利技術較之于現有技術具有突出的有益效果，簡單分述如下：1．選用高連通孔泡沫金屬為網絡骨架，使得納米陶瓷粒子膠體容易負載在泡沫金屬上。通過調整負載膠體的次數，可獲得不同厚度的負載層，從而可納米陶瓷粒子質量比高達20%的金屬基材料。通過累積疊軋過程保證了材料的致密度達到99%以上。2．利用均勻分布三維網狀、高空隙率，且泡沫，如泡沫銅等為骨架，在上面負載一層厚度均勻的納米陶瓷粒子薄膜，經累積疊軋后泡沫金屬的空隙完全消失，實現了在固相中就將高比例納米陶瓷粒子在金屬中的均勻分散。可將不同陶瓷粒子與不同泡沫金屬復合為多層納米晶、超細晶復合材料，相比其它工藝，如將納米陶瓷粒子與金屬熔液混合，工藝更加簡單化。3．能將不同陶瓷粒子與不同泡沫金屬復合為多層納米晶、超細晶復合材料，納米陶瓷粒子和金屬間形成很強的緊約束關系，故界面結合強、多層金屬結構間界面結合強。采用泡沫鎳為骨架的復合材料的拉伸強度和彈性模量分別達到~1000MPa和~180GPa。可以在汽車、航空航天、光電和機械裝備等領域獲得廣泛應用。附圖說明圖1為本專利技術實施例1工藝流程。圖2為本專利技術實施例1多層結構的金屬/納米粒子復合材料累積疊軋制備示意圖。圖3為本專利技術實施例1泡沫金屬的照片；（a）泡沫鋁；（b）泡沫鎳；（c）泡沫銅；（d）泡沫鐵。圖4為本專利技術實施例1負載均勻致密的納米SiC粒子膠體的泡沫金屬照片；（a）泡沫鋁；（b）泡沫鎳。圖5為本專利技術實施例2多層結構的金屬/納米粒子復合材料累積疊軋制備及熱處理后透射電鏡照片。具體實施方式實施例1：本專利技術的多層結構的金屬/納米陶瓷粒子復合材料累積疊軋制備及熱處理方法的工藝流程，如圖1所示本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種累積疊軋及熱處理制備多層結構的金屬/納米粒子復合材料的方法，其特征在于具體步驟為：（1）制備納米陶瓷粒子膠體：將30?g?平均粒徑為30~300?nm的納米陶瓷粉、2~3?g分散劑、3~5?g增塑劑、2~4?g羧甲基纖維素、5~10?g粘結劑和1~5?g消泡劑加入1000mL蒸餾水混合均勻，向漿料中加入堿性物質將pH值調至9~12，經過真空球磨30~300?分鐘，再利用真空減壓攪拌和超聲波振蕩將納米陶瓷粉分散在溶劑蒸餾水中后脫除汽泡，形成納米陶瓷粒子膠體，納米陶瓷粒子在溶劑分散液中含量為0.5~5?mg/mL；（2）泡沫金屬表面處理：以拉伸強度為10?MPa、孔徑為20~120?PPI、通孔率為70%~98%的三維連通網孔狀結構的泡沫金屬為原料，裁剪成厚度為1~5?mm規格相同的板材；然后浸泡在重量百分比濃度為0.1~10％的酸性物質中保持30分鐘，取出后在真空度50~?200Pa、氮氣或氬氣下，溫度50~150?℃，干燥30~300分鐘；（3）負載膠體薄膜：將步驟（2）干燥后的泡沫金屬用步驟（1）獲得的納米陶瓷粒子膠體噴淋或浸泡0.5~4?小時，保持膠體溫度20~50?℃，晾干后又進行噴淋或浸泡，重復3次，獲得厚度20~100?μm均勻致密的納米陶瓷粒子膠體負載層；（4）排膠：取出步驟（3）所得具有納米陶瓷粒子膠體負載層的泡沫金屬于200?~300℃干燥12?小時后排除膠體的膠質和水分，獲得納米陶瓷粒子/泡沫金屬復合體，此時納米陶瓷粒子質量為連通孔泡沫金屬的1~20?％；（5）組裝和預熱：將步驟（4）處理后的納米陶瓷粒子/泡沫金屬復合體兩塊或三塊，將表面壓合在一起后，將板材四周用鉚接固定，置于氬氣保護下的加熱爐中，加熱至400~500?℃，保溫1~2小時，上述納米陶瓷粒子/泡沫金屬復合體的組合方式為：雙層同質、雙層異質或三層異質；（6）累積疊軋與裁剪：取出步驟（5）預熱后的板材用軋機進行一個道次的軋制變形，壓下量50%，軋制壓力50~300?MPa，然后裁剪成形狀相同的2份后按照順序疊放整齊將板材四周用鉚接固定，置于氬氣保護下的加熱爐中，加熱至400?~500℃取出，進行第2?次的累積疊軋操作；（7）重復步驟（5）和（6），共疊軋5~8次，制備出金屬復合板材；（8）冷軋變形：將步驟（7）累積疊軋后的金屬復合板材繼續進行冷軋變形，道次變形量為15~30%，軋制壓力200~400?MPa，然后經軋機軋制成型得合金板材；（9）熱處理：將步驟（8）冷軋變形后的合金板材加熱到200～550?℃，保溫60～300分鐘，在空氣中冷卻至室溫，得；所述納米陶瓷粉為平均粒徑為30?300nm的SiC、B4C、Al2O3，SiO2、TiB2、BN和MoS2中的一種或多種；所述分散劑為三硬脂酸甘油酯或乙烯基雙硬脂酰胺；所述增塑劑為鄰苯二甲酸二正辛酯或鄰苯二甲酸丁芐酯；所述粘結劑為聚醛基粘結劑或油基粘結劑；所述消泡劑為乳化硅油或高碳醇脂肪酸酯復合物；所述堿性物質為分析純氫氧化鈉或氫氧化鉀和氫氧化鋁；所述酸性物質為磷酸或亞硫酸和硝酸中；所述泡沫金屬為泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫銅和泡沫鐵中的兩種或三種。...

【技術特征摘要】
1.一種累積疊軋及熱處理制備多層結構的金屬/納米粒子復合材料的方法，其特征在于具體步驟為：（1）制備納米陶瓷粒子膠體：將30g平均粒徑為30~300nm的納米陶瓷粉、2~3g分散劑、3~5g增塑劑、2~4g羧甲基纖維素、5~10g粘結劑和1~5g消泡劑加入1000mL蒸餾水混合均勻，向漿料中加入堿性物質將pH值調至9~12，經過真空球磨30~300分鐘，再利用真空減壓攪拌和超聲波振蕩將納米陶瓷粉分散在溶劑蒸餾水中后脫除汽泡，形成納米陶瓷粒子膠體，納米陶瓷粒子在溶劑分散液中含量為0.5~5mg/mL；（2）泡沫金屬表面處理：以拉伸強度為10MPa、孔徑為20~120PPI、通孔率為70%~98%的三維連通網孔狀結構的泡沫金屬為原料，裁剪成厚度為1~5mm規格相同的板材；然后浸泡在重量百分比濃度為0.1~10％的酸性物質中保持30分鐘，取出后在真空度50~200Pa、氮氣或氬氣下，溫度50~150℃，干燥30~300分鐘；（3）負載膠體薄膜：將步驟（2）干燥后的泡沫金屬用步驟（1）獲得的納米陶瓷粒子膠體噴淋或浸泡0.5~4小時，保持膠體溫度20~50℃，晾干后又進行噴淋或浸泡，重復3次，獲得厚度20~100μm均勻致密的納米陶瓷粒子膠體負載層；（4）排膠：取出步驟（3）所得具有納米陶瓷粒子膠體負載層的泡沫金屬于200~300℃干燥12小時后排除膠體的膠質和水分，獲得納米陶瓷粒子/泡沫金屬復合體，此時納米陶瓷粒子質量為連通孔泡沫金屬的1~20％；（5）組裝和預熱：將步驟...

【專利技術屬性】
技術研發人員：喻亮，姜艷麗，劉崇宇，農曉東，高凡，羅鯤，周立智，王春霞，
申請(專利權)人：桂林理工大學，
類型：發明
國別省市：廣西;45