[發(fā)明專利]塊體納米晶金屬基復(fù)合材料的微波燃燒合成方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710191989.9
• 申請日: 2007-12-28
• 公開（公告）號: CN101469380A
• 公開（公告）日: 2009-07-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孔見;黃潔雯
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心
• 代理人: 朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種塊體納米晶金屬基復(fù)合材料的制備方法，特別是一種塊體納米晶金屬基復(fù)合材料的微波燃燒合成方法。

背景技術(shù)

塊體納米晶材料主要指由晶粒尺寸在納米級(5～100nm)的晶粒構(gòu)成的具有3維尺度的塊體材料。而塊體納米晶金屬基復(fù)合材料則由增強(qiáng)顆粒或晶須均勻分布于塊體納米晶金屬基體內(nèi)部而構(gòu)成。增強(qiáng)相的晶粒尺度可為微米級或納米級。塊體納米晶金屬復(fù)合材料與普通微米晶復(fù)合材料材料相比，具有更高的硬度和耐磨性能、超高的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，而且在較低溫度和較高應(yīng)變率下具有良好的塑性變形能力，同時還兼具有聲、光、電、磁等特殊的物理性能，因此在工程應(yīng)用上有光明的前景。由于單相納米晶材料一般屬于非平衡態(tài)材料，存在組織不穩(wěn)定的問題，這是塊體納米晶材料的制備障礙，也是限制其應(yīng)用的原因之一。發(fā)展納米晶復(fù)合材料有望成為解決這個問題的路徑之一。

目前的納米晶復(fù)合材料材料的制備方法包括：電沉積法，超音速火焰噴涂法，氣相沉積—原位加壓法，非晶晶化法，熔體快速凝固法以及高能球磨法。前3種方法制備的納米晶復(fù)合材料厚度有限，主要為基底材料或零件表面的納米晶復(fù)合薄膜或涂層，只適于制備二維納米晶復(fù)合材料，無法在三維尺度上制備出塊體納米晶復(fù)合材料。熔體快速凝固法與非晶晶化法則用于制備非晶/納米晶復(fù)合材料，因此依賴于非晶態(tài)固體的獲得，張立德、牟季美在《納米材料和納米結(jié)構(gòu)》中指出，它只適用于非晶形成能力較強(qiáng)的復(fù)合體系，適用對象極為有限。高能球磨法包括納米粉末的制備和燒結(jié)兩個過程，王軼、姚可夫等人在文獻(xiàn)《塊體納米晶材料制備的研究進(jìn)展》(熱加工工藝，2003(2)：48～80)中指出：這類方法的關(guān)鍵問題是納米顆粒在燒結(jié)過程中的晶粒長大，產(chǎn)物的致密度不理想。而利用微波燃燒合成塊體納米晶金屬基復(fù)合材料，可以克服上述制備技術(shù)中的問題，制成全致密、無污染、大尺寸、晶粒細(xì)小且均勻的塊納米晶金屬基復(fù)合材料。

到目前為止，微波燃燒合成主要用于陶瓷或金屬氧化物的燒結(jié)。由于金屬是良導(dǎo)體，長期以來一直認(rèn)為金屬及合金不能吸收微波，不能用微波技術(shù)進(jìn)行制備。而美國賓西法尼亞大學(xué)的研究者在文獻(xiàn)《Sintering?and?Mechanical?Properties?of?PM?CopperSteel》(Powder?Metallurgy，2001，44(4)：355-362)中的研究表明：金屬粉末是很好的微波吸收體，可以被有效的加熱。這為塊體納米晶金屬基復(fù)合材料的微波燃燒合成提供了可能。利用微波可快速點(diǎn)燃金屬原料粉末以及增強(qiáng)相，通過合理工藝控制，最終可獲得大尺寸的塊體納米晶金屬基復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉、工藝簡單，用于制備全致密、無污染、大尺寸、晶粒細(xì)小且均勻的塊體納米晶金屬基復(fù)合材料的微波燃燒合成方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種塊體納米晶金屬基復(fù)合材料的微波燃燒合成方法，其步驟為：

1、根據(jù)要獲得的目標(biāo)產(chǎn)物，選擇由金屬粉末、非金屬粉末及金屬氧化物粉末中的一種、兩種或三種成分構(gòu)成的混合物作為基體合金的原料，同時選擇陶瓷增強(qiáng)顆粒或晶須作為增強(qiáng)相原料，增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為2％～20％。

2、利用高能球磨機(jī)將上述原料進(jìn)行混合，8～20小時后取出；

3、將混合好的粉末裝入鋼模，在壓力機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制壓強(qiáng)為100～300MPa；

4、將壓制好的坯料放入坩鍋，并置入微波爐加熱點(diǎn)燃，加熱功率為600～1000瓦，加熱時間為2～10分鐘；

5、產(chǎn)物冷卻至室溫后取出，得到塊體納米晶金屬基復(fù)合材料。

混合物原料可以由不同的金屬粉末組成，也可由金屬粉末和非金屬粉末組成，或由金屬粉末和金屬氧化物粉末組成。

本發(fā)明的原理是：通過選擇和設(shè)計(jì)反應(yīng)時釋放高熱量的化學(xué)反應(yīng)體系，利用微波可以在物體較大體積區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)零梯度加熱，加熱速率快的特點(diǎn)，快速點(diǎn)燃原料混合物，使它們之間發(fā)生反應(yīng)生成以金屬或合金為基體的復(fù)合材料。反中應(yīng)釋放的高熱量使產(chǎn)物處于高溫熔融狀態(tài)，可保證產(chǎn)物在冷卻過程中獲得較大過冷度，配以高導(dǎo)熱系數(shù)的材料做坩鍋或基底，又可獲得高的冷卻速度，使得熔體中晶核的生長受到限制，停留在納米尺度，最終獲得大尺度的塊體納米晶金屬基復(fù)合材料。