[發明專利]一種納米非晶合金顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202211340149.5
• 申請日: 2022-10-28
• 公開（公告）號: CN115612880B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 郭強;劉煜旸;蒂姆;趙蕾;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C1/04
• 分類號: C22C1/04;C22C21/00;B22F1/08;B22F1/054;B22F9/24;C22C45/04;C22C45/02;B22F9/04;B22F3/14;B22F3/105;B22F3/15;B22F3/17;B22F3/18;B22F3/20
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 徐紅銀

本發明提供了一種納米非晶合金顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法，所述復合材料包括增強體和基體；所述增強體為納米非晶合金顆粒，基體為鋁或鋁合金；所述復合材料中，增強體的體積分數為1～30％；所述納米非晶合金顆粒的尺寸為20～100nm，納米非晶合金顆粒為原子摻雜的鈷基或鐵基或鎳基納米非晶合金顆粒，所述原子為鋯原子或鎢原子。本發明以采用化學還原法制備的納米非晶合金顆粒作為增強體，能夠發揮納米材料高比表面積、非晶合金高強、高硬的本征特性、以及非晶合金與基體材料極好的界面結合等優勢，表現出優異的強化效率，制備得到的鋁基復合材料能夠滿足航空航天、軌道交通和國防工業等高新技術領域對材料輕質高強的應用需求。

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料技術領域，具體地，涉及一種納米非晶合金顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法。

背景技術

鋁及其合金因其具有較低的密度，較高的比強度、比模量，以及良好導電性等優勢而被廣泛應用，是國家重大工程和國民經濟發展的關鍵性材料之一。隨著航空航天、軌道交通和國防工業等高新技術領域的快速發展，以及新時期可持續發展對材料輕量化的新需求，單一金屬材料難以滿足復雜苛刻條件下的使用需求，復合化則是實現材料更高力學性能與功能特性的有效途徑之一。金屬材料復合化是在金屬基體中加入具有特定性能或綜合性能優異的第二相(顆粒、晶須、短纖維等)，制備出新型金屬基復合材料具有高模量、高強度、耐摩擦磨損、高阻尼和高熱導等優異性能，以彌補金屬基體的性能短板、實現綜合性能的提升。

非晶合金因其原子混亂無序的排列狀態，從而避免了位錯和晶界等缺陷的存在，與傳統的晶體合金材料相比，非晶合金表現出更為優異的力學性能、磁學性能、抗腐蝕性能、鑄造成形性能以及熱塑性成形性能等。非晶合金體系全面，包括以高強度和軟磁性為特點的鐵基、鈷基非晶合金；以輕質為特點的鎂基、鋁基、鈦基非晶合金；以良好非晶形成能力為特點的鈀基、鉑基非晶合金。對非晶合金成分優選，可對其性能進行精準調控，來滿足所需的指標要求。因此該類材料作為高性能新型結構功能一體化材料，有極大的應用前景。

以非晶合金作為增強體，可以在材料變形過程中有效阻礙位錯運動，進而顯著提高基體材料強度，同時也可賦予復合材料高模量、低熱膨脹系數等優異的性能。然而在材料生產和應用技術中，非晶合金增強鋁基復合材料存在一些亟待解決關鍵性問題：(1)?經過對現有技術的文獻檢索，目前所用的非晶合金增強體都是經由塊體合金破碎法或者氣霧化法制備出微米尺寸的顆粒或纖維，因此增強體需大量添加才可達到顯著增強效果，制備工藝復雜且成本高昂；(2)為追求良好的非晶形成能力，大多采用過渡族元素作為主元制備非晶合金，即導致合金密度較高，大量添加后導致復合材料無法凸顯輕質高強的特性。

專利號為CN?109763042?A的專利文獻中提出了一種非晶合金增強的復合材料及其制備方法，以25％體積分數的鐵基非晶合金為增強相，制備出的鋁基復合材料密度達到4.0g/cm³。盡管材料的強度略有提升，卻是以大量犧牲復合材料的密度作為代價。專利號為CN?109554564?A的專利文獻中提出了一種非晶合金顆粒與碳納米管增強鋁基復合材料的制備方法，該復合材料采用了10％體積分數Fe₅₀Cr₂₅Mo₉C₁₃B₃非晶合金顆粒和?2.5wt％碳納米管作為增強體，純鋁為基體材料；但該復合材料的強度僅為247MPa。相比于基體材料，其強度僅僅提高了25％，然而材料的密度同步提升了15％。此外，價格昂貴的微米尺寸非晶合金顆粒和碳納米管無疑增加了復合材料的成本，進一步限制了大規模生產應用的可能性。

發明內容

針對現有技術中的短板，本發明提供一種新型納米非晶合金增強鋁基復合材料及其制備方法。綜合了非晶合金高強度高硬度的特點，以及基體材料的延展性，該復合材料表現出高的比強度與良好的塑性變形能力，且有效發揮了納米顆粒高比表面積和高強本征性能的優勢，極大提高了強化效率，通過增強體的少量添加便可實現復合材料強度的大幅提升。本制備方法工藝流程簡單高效，一定程度上控制了工藝成本。