專利名稱:以氧化鋁包裹金屬鋁的鋁/氧化鋁復合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及以氧化鋁包裹鋁的Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的制備方法,主要特征是金屬相Al是以Al2O3包裹Al的復合粉體的形式引入。屬于復合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù):
Al2O3是應用最廣泛的結(jié)構(gòu)陶瓷材料之一,它具有較高強度、高硬度、低密度、耐腐蝕、耐磨損等性能。然而同時也有陶瓷的最大弱點,就是韌性很差,在受到突然的接觸過載或劇烈的溫度變化時,很容易產(chǎn)生裂紋而導致結(jié)構(gòu)部件的失效破壞。在陶瓷相中均勻分散韌性的金屬相構(gòu)成復合材料是陶瓷韌化的有效方法。
對很多金屬與陶瓷的界面能關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)由于金屬和陶瓷鍵型上的差異,在一般條件下很難實現(xiàn)使熔融的金屬對陶瓷相潤濕得很好。同時在材料的結(jié)構(gòu)設計上又更多地追求金屬相的連續(xù),這無疑無法避免具有連續(xù)結(jié)構(gòu)的金屬相的氧化。而且,團聚的孤島狀金屬相,從較小的尺度看是極不均勻地分散在陶瓷相中,這樣的顯微結(jié)構(gòu)顯然沒有可能改善陶瓷材料的脆性。要避免金屬相的氧化及聚集,就必須將其保護起來。表面涂層、表面改性或把金屬相埋藏在陶瓷相中間或許是一條可取的途徑。(郭景坤,材料研究學報,2000,14,123-126)近年來,將包裹工藝用于制備均相陶瓷的研究已取得了一定的進展。(Rui Zhang,LianGao,Jingkun Guo,Journal of the American Ceramic Society,Vol.86(2003),No.8,pp.1446-1448;Myung-Beom Park,Nam-Hee Cho,Chung-Don Kim,Sang-Kyun Lee,Journal of the American Ceramic Society,Vol.87(2004),No.3,pp.510-512)它不僅提高了素坯密度和燒結(jié)活性,也提高不同相的均勻性和燒結(jié)體的力學性能。本發(fā)明人在前期用濕化學法合成了Al/Al2O3核-殼復合粒子(Huamin Kou,Jing Wang,Yubai Pan,Jingkun Guo,Key EngineeringMtaerials(2006)Vol.313,pp.63-68)的基礎上試圖將這種具有包裹結(jié)構(gòu)的Al/Al2O3復合粉體添加到Al2O3陶瓷基體中,即將晶粒設計與晶界設計融為一體形成復合粒子,這不但可以有效避免單一粒子的團聚問題,實現(xiàn)兩相間的均勻分散,而且也可以更加有效地抑制金屬鋁的氧化、限制燒結(jié)時鋁粒子的長大,從而引導出本發(fā)明的構(gòu)思。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋁包裹金屬鋁的Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的制備方法,以改善Al/Al2O3復合材料中兩相分布的均勻性,同時減少金屬Al相的氧化,而把金屬相Al包覆在陶瓷相Al2O3中后再來引入。氧化鋁包裹鋁的復合粉體的制備主要是在液相中完成。本方法簡單易行,適合規(guī)?;a(chǎn)。
本發(fā)明是這樣實施的以Al/Al2O3核-殼復合粒子為第二相,以商業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的Al2O3粉體為基體,適當添加燒結(jié)助劑,通過熱壓燒結(jié)制備Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料。
本發(fā)明提供的Al/Al2O3復合材料制備工藝過程,如圖1所示,其特征在于(1)以工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的鋁粉為起始原料進行粉體的包裹,用酸處理過量的鋁粉的表面,以氨水作沉淀劑,在液相中先形成Al/AlOOH·H2O核-殼復合粒子,再經(jīng)抽濾、洗滌、干燥。用稀酸處理的目的一是在溶液中形成Al3+,從而為接下來包裹AlOOH·H2O提供鋁源;二是隨著反應中氫氣的放出,鋁粉表面會形成許多凹坑等缺陷,從而為接下來的包裹提供非均相形核的形核點。
(2)所用的稀酸H+濃度為0.2-1.0M,與過量的鋁粉的反應溫度為20-80℃,參與反應的鋁占起始鋁粉體積的30-50%,所用氨水的濃度為0.1-1.0M,氨水與溶液中Al3+的摩爾比Al3+∶NH3·H2O為1∶3,反應伴隨磁力攪拌,生成含Al/AlOOH·H2O核-殼復合粒子的沉淀物。用去離子水洗滌3-4次,乙醇洗滌1-2次,沉淀物干燥條件為80-100℃、保溫2-8小時。
(3)將所制備的Al/AlOOH·H2O核-殼復合粒子按一定比例(鋁的質(zhì)量含量為1-15%)與市售的氧化鋁粉體球磨混和。球磨介質(zhì)為無水乙醇,并把鎂鹽按一定比例溶解在無水乙醇中以溶液形式作為燒結(jié)助劑加入,氧化鎂的質(zhì)量含量為0.3-0.7%(以Al/Al2O3為基準,外加)。
(4)混料后的粉體經(jīng)過干燥后在400-600℃下煅燒1-2小時。此時,Al(4)混料后的粉體經(jīng)過干燥后在400-600℃下煅燒1-2小時。此時,Al的殼層AlOOH·H2O轉(zhuǎn)變成無定形的Al2O3,形成Al/Al2O3核-殼復合粒子。鎂鹽分解成為氧化鎂。干燥溫度為80-100℃,時間為5-10小時。
(5)熱壓燒結(jié)制備Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料,燒結(jié)溫度為1350~1450℃,保溫時間為10~30分鐘,壓力為20~30MPa,選擇惰性氣體為保護氣氛。
本發(fā)明提供的Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料制備方法的特點是(1)生產(chǎn)工藝簡單。
(2)原料廉價易得,所需設備簡單,易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
(3)與基體材料相比,材料的力學性能得到了明顯提高。
(4)此復合材料在航空航天、電子工業(yè)、汽車、機械耐磨件、結(jié)構(gòu)件及化工耐腐蝕件等領(lǐng)域具有十分重要的實用價值及廣闊的應用前景。
圖1本發(fā)明提供的Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的制備工藝流程2不同工藝階段粉體和塊體的X射線衍射譜圖(XRD)(a)市售Al2O3(b)所制備的Al/AlOOH·H2O和市售Al2O3球磨混和后的粉體(c)球磨粉體經(jīng)過500℃,1小時煅燒(d)經(jīng)過1400℃,30分鐘,30MPa,Ar氣氛熱壓燒結(jié)圖3不同階段所得樣品的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)形貌照片(a)作為添加相的Al/AlOOH·H2O核-殼復合粒子(b)市售氧化鋁與包裹粉體混和后所得粉體(c)1350℃,30MPa,Ar氣氛,保溫30min熱壓燒結(jié)所得樣品的斷口形貌(d)1450℃,30MPa,Ar氣氛,保溫30min熱壓燒結(jié)所得樣品的斷口形貌圖4依實施例2所制備的Al/Al2O3金屬陶瓷的斷口照片
具體實施例方式
用下列非限定性實施例進一步說明實施方式及效果實施例1配制0.1M稀硫酸溶液和0.6M氨水溶液,將15g粒徑分布為1~4μm鋁粉加入劇烈磁力加熱攪拌的2500mL稀硫酸溶液中(此時參與酸反應的Al占30%),反應溫度為60℃,可觀測到有微小氣泡從溶液中溢出。待酸耗盡后,停止加熱,并逐滴加入833mL 0.6M的氨水溶液。將沉淀物用去離子水洗滌三次、無水乙醇洗滌兩次,抽濾。將所得產(chǎn)物放入烘箱在100℃干燥8小時。球磨混料按照Al、Al2O3和MgO的質(zhì)量含量分別為5%、95%和0.3%來進行,分別稱取5.92g復合粉體、43.12g Al2O3和0.96g的Mg(NO3)2·6H2O,并先把硝酸鎂溶解在球磨介質(zhì)-無水乙醇中,再加入復合粉體和AlO3。將球磨后的粉體在500℃煅燒1小時后于1400℃,30MPa保溫30分鐘,Ar氣氛進行熱壓燒結(jié)。圖2為本實施例不同階段粉體的X射線衍射譜圖??梢钥闯鏊檬惺跘l2O3是以γ-Al2O3為主的過渡態(tài)Al2O3(a);與復合粉體球磨混料后,圖譜中增加了金屬Al的衍射峰,由于此時AlOOH·H2O為無定形態(tài),因此沒有AlOOH·H2O的特征峰(b);球磨粉體經(jīng)過450℃,1小時煅燒,此時AlOOH·H2O脫水分解為無定形Al2O3,鎂鹽分解為氧化鎂,由于氧化鎂的含量遠遠低于檢測限,因此圖譜中未出現(xiàn)它的衍射峰(c);經(jīng)過1400℃,30MPa,保溫30分鐘,Ar氣氛熱壓燒結(jié),此時衍射圖譜由α-Al2O3和Al的特征峰組成,其中Al的質(zhì)量含量(5%)接近XRD的檢測限,局部放大可以看到其特征峰的存在(d)。
再從圖3掃描電鏡和透射電鏡照片進行形貌分析(a)Al/AlOOH·H2O核-殼復合粒子,可以看出鋁的表面被細小的AlOOH·nH2O所包覆,形成了具有核-殼結(jié)構(gòu)的復合粒子;(b)球磨后,依然可以很明顯的觀察到Al表面的包覆層,納米級的小粒子為所用的市售Al2O3粉體;(c)1350℃,30MPa,Ar氣氛,保溫30min熱壓燒結(jié)所得樣品的斷口形貌可以看出在1350℃燒結(jié)的樣品已經(jīng)比較致密,晶粒尺寸比較均勻,平均尺寸在700nm左右,斷裂方式以沿晶斷裂為主。經(jīng)過測試,此時樣品的致密度達到96.7%,抗彎強度為486MPa,斷裂韌性為3.8MPam1/2;(d)1450℃,30MPa,Ar氣氛,保溫30min熱壓燒結(jié)所得樣品的斷口形貌此時晶粒發(fā)生了比較明顯的長大,平均粒徑在1μm左右,斷裂方式依然是沿晶斷裂為主。經(jīng)過測試,此時樣品的致密度已達到98.1%,抗彎強度提高到534MPa,斷裂韌性為5.5MPam1/2。當其它條件不變,燒結(jié)溫度為1400℃時抗彎強度達到最大為604MPa。
實施例2球磨混料時調(diào)節(jié)復合材料中兩相的質(zhì)量百分比,以及燒結(jié)助劑所占的百分比,稱取不同量的氧化鋁、復合粉體和硝酸鎂進行配料。其余條件同實施例1。圖4為Al的質(zhì)量含量為10%,MgO的質(zhì)量含量為0.5%,于1400℃,25MPa,Ar氣氛,保溫10min所得樣品的斷口形貌。
權(quán)利要求
1.氧化鋁包裹金屬鋁的Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的制備方法,其特征在于以Al2O3包裹Al的復合粉體為第二相、以工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的Al2O3為基體、球磨混料并加入燒結(jié)助劑,最終通過熱壓燒結(jié)而得到Al/Al2O3復合材料,具體工藝步驟是(a)以工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的鋁粉為起始原料,用稀酸處理過量的鋁粉的表面,以氨水作沉淀劑,在液相中先形成Al/AlOOH·H2O核-殼復合粒子,沉淀物經(jīng)抽濾、洗滌、干燥;(b)將所制備的Al/AlOOH·H2O核-殼復合粉體按鋁的質(zhì)量含量為1-15%與商業(yè)生產(chǎn)的氧化鋁粉體混合;(c)通過球磨混料,以酒精作為球磨介質(zhì),并外加氧化鎂質(zhì)量百分含量為0.3-0.7%的鎂鹽作為燒結(jié)助劑;(d)球磨后的粉體于80~100℃下干燥;(e)將干燥后的粉體于400~600℃下煅燒,使AlOOH·H2O殼層脫水分解為無定形的Al2O3,形成Al/Al2O3核-殼復合粒子,同時鎂鹽分解成為MgO;(f)將煅燒后的粉體進行熱壓燒結(jié),燒結(jié)溫度為1350~1450℃,壓力為20~30Mpa,燒結(jié)氣氛為惰性氣體保護。
2.按權(quán)利要求1所述的制備Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的方法,其特征在于步驟(a)中所用與處理過量鋁粉的稀酸H+濃度為0.2-1.0M,處理溫度為20-80℃;參與反應的鋁粉占起始鋁粉體積的30-50%。
3.按權(quán)利要求1所述的制備Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的方法,其特征在于步驟(a)中所用的氨水濃度為0.1-1.0M,且Al3+∶NH3·H2O為1∶3。反應伴隨磁力攪拌生成Al/AlOOH·H2O的核-殼復合粒子的沉淀物。
4.按權(quán)利要求1或3所述的制備Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的方法,其特征在于沉淀物用去離子水洗滌3-4次,乙醇洗滌1-2次后,于80-100℃下干燥的時間為2-8小時。
5.按權(quán)利要求1所述的制備Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的方法,其特征在于步驟(d)球磨后粉體干燥時間為5-10小時。
6.按權(quán)利要求1所述的制備Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的方法,其特征在于步驟(e)中400-600℃煅燒時間為1-2小時。
7.按權(quán)利要求1所述的制備Al/Al2O3金屬陶瓷復合材料的方法,其特征在于步驟(f)中燒結(jié)時保溫時間為10-30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備Al/Al
文檔編號B22F9/00GK1810419SQ200610024249
公開日2006年8月2日 申請日期2006年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月1日
發(fā)明者寇華敏, 王靜, 潘裕柏, 郭景坤 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所