專利名稱：三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的復(fù)合材料，具體涉及一種在陶瓷相增強體表面包覆三氧化二鉍(Bi2O3)增強鋁基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
近年來，陶瓷相增強金屬，尤其是增強鋁基復(fù)合材料正受到普遍重視。這種材料最誘人的特性是具有高強度、高模量和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良的性質(zhì)。關(guān)于陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料的潛在優(yōu)越性已經(jīng)受到很大的關(guān)注，而且有些復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用在汽車、航空、天文以及普通工程領(lǐng)域內(nèi)。雖然商業(yè)性應(yīng)用正在出現(xiàn)，但是復(fù)合材料低塑性是一個致命的弱點，成為復(fù)合材料不能在室溫下用常規(guī)的成型方法生產(chǎn)部件的一個難點，嚴(yán)重地制約了復(fù)合材料商業(yè)化的應(yīng)用前景。而且絕大多數(shù)鋁基復(fù)合材料部件由于本身的低塑性限制，只能通過熱塑性加工成型。因此必須在遠(yuǎn)高于室溫的條件下對復(fù)合材料進(jìn)行熱塑性變形加工。在中溫下對復(fù)合材料進(jìn)行塑性變形，基體沒有軟化，增強體的轉(zhuǎn)動和基體的塑性變形不能相協(xié)調(diào)，會導(dǎo)致增強體損壞，嚴(yán)重地降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能；如果在高溫接近基體的液固相線進(jìn)行復(fù)合材料的塑性變形，因為這時基體已經(jīng)軟化，甚至出現(xiàn)液相，增強體容易發(fā)生轉(zhuǎn)動，損壞減少，但是由于變形溫度靠近基體的液固相線，基體中的增強體分布不均勻，出現(xiàn)了“富集區(qū)”和“貧化區(qū)”，同樣降低了材料的力學(xué)性能，而且由于變形溫度太高還增加了復(fù)合材料的二次加工成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研制一種三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，它不僅可以降低復(fù)合材料的熱塑性變形溫度，減少復(fù)合材料熱加工的成本，而且也能減少增強體在基體塑性變形過程中的損傷，熱變形后復(fù)合材料仍有很好的力學(xué)性能。本發(fā)明的復(fù)合材料由三氧化二鉍(Bi2O3)、陶瓷相增強體和鋁基體三種成分組成，其中陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的5～50％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的2～20％。
陶瓷相增強體表面包覆三氧化二鉍增強鋁基復(fù)合材料和沒有包覆三氧化二鉍的鋁基復(fù)合材料不同溫度壓縮變形最大變形抗力和抗力差值如圖1所示。由圖可見隨變形溫度的升高，兩種材料變形抗力均下降，并且變形抗力差值隨溫度的升高先增大后減少。兩種復(fù)合材料變形抗力差值在270℃以后有一個陡坡，變形溫度高于270℃后，界面上的金屬鉍完全熔化，但基體還沒有軟化，界面上的液相在變形過程中起潤滑和協(xié)調(diào)作用，導(dǎo)致兩種復(fù)合材料的變形抗力差值突然增大；而在變形溫度高于320℃以后，基體逐漸開始軟化，對陶瓷相增強體轉(zhuǎn)動的束縛能力變?nèi)?，這時雖然界面上微量的液相還起到一定的潤滑作用，但是基體的軟化起到了決定性的作用，陶瓷相增強體容易轉(zhuǎn)動，所以導(dǎo)致二者的最大變形抗力的差值減少。兩種復(fù)合材料在350℃變形后的掃描照片分別示于圖2和圖3中，比較兩種材料的掃描照片，在同一溫度下，沒有含Bi2O3的復(fù)合材料陶瓷相增強體損壞情況要比含Bi2O3復(fù)合材料嚴(yán)重的多，而且陶瓷相增強體的平均粒徑較小，有力的證明了在陶瓷相增強體和基體界面上的金屬Bi降低了壓縮變形最大流變應(yīng)力，減少了陶瓷相增強體損壞的數(shù)量，提高了材料塑性成形能力。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)在陶瓷相增強體表面包覆三氧化二鉍能阻止增強體與基體里的元素發(fā)生界面反應(yīng)；(2)三氧化二鉍要與鋁發(fā)生鋁熱反應(yīng)，生成低熔點的金屬鉍，具體鋁熱反應(yīng)方程式如下
低熔點的金屬鉍都分布在增強體和基體的界面上，這有助于陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料進(jìn)行熱塑性變形；(3)在高于金屬鉍的熔點溫度270℃進(jìn)行塑性變形，這時界面上的鉍都變成了液體，在界面上起到潤滑作用，和增強體表面沒有包覆三氧化二鉍的鋁基復(fù)合材料相比，不但提高了復(fù)合材料的熱塑性變形能力，而且還明顯地降低了陶瓷相增強體的損傷，使這種鋁基復(fù)合材料經(jīng)熱塑性變形后的力學(xué)性能不下降。


圖1為陶瓷相增強體表面包覆三氧化二鉍增強鋁基復(fù)合材料和沒有包覆三氧化二鉍的鋁基復(fù)合材料不同溫度壓縮變形最大變形抗力和抗力差值圖，其中左坐標(biāo)為兩種復(fù)合材料最大流變應(yīng)力—溫度的關(guān)系，右坐標(biāo)為與兩種復(fù)合材料最大流變應(yīng)力的差值—溫度的關(guān)系；圖2為增強體表面包覆三氧化二鉍(Bi2O3)增強鋁基復(fù)合材料經(jīng)過熱變形后的表面形貌圖；圖3為沒有包覆三氧化二鉍(Bi2O3)的鋁基復(fù)合材料經(jīng)過熱變形后的表面形貌圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的復(fù)合材料由三氧化二鉍(Bi2O3)、陶瓷相增強體和鋁基體三種成分組成，其中陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的5～50％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的2～20％，首先是在陶瓷相增強體表面包覆三氧化二鉍；然后用表面包覆三氧化二鉍陶瓷相和鋁或鋁合金來制備復(fù)合材料。該種表面包覆三氧化二鉍陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料在高于金屬鉍熔點270℃進(jìn)行熱塑性變形，不僅可以降低復(fù)合材料的熱變形溫度和加工成本，而且還明顯地降低了陶瓷相增強體的損傷，使這種鋁基復(fù)合材料經(jīng)熱塑性變形后的力學(xué)性能不下降。所述陶瓷相增強體為短纖維、顆粒、晶須中的一種或幾種的混合物，其中短纖維為Al2O3、SiC、B2O3、TiN中的一種或幾種的混合，顆粒為Al2O3、SiC、Al18B4O33、Si3N4、AlN、B4C、TiC中的一種或幾種的混合，晶須為SiC、AlN、9Al2O3·2B2O3(Al18B4O33)、Si3N4、2MgO·B2O3(Mg2B3O5)中的一種或幾種的混合；鋁基體為純鋁或鋁合金。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是，陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的8％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的5％。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一、二不同的是，陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的15％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的10％。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一、二、三不同的是，陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的20％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的8％。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一、二、三、四不同的是，陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的25％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的14％。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一、二、三、四、五不同的是，陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的40％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的18％。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一、二、三、四、五、六不同的是，陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的32％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的16％。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一、二、三、四、五、六、七不同的是，陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的12％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的10％。
權(quán)利要求
1.三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于它由三氧化二鉍(Bi2O3)、陶瓷相增強體和鋁基體三種成分組成，其中陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的5～50％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的2～20％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述鋁基體為純鋁或鋁合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述陶瓷相增強體為短纖維、顆粒、晶須中的一種或幾種的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述短纖維為Al2O3、SiC、B2O3、TiN中的一種或幾種的混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述顆粒為Al2O3、SiC、Al18B4O33、Si3N4、AlN、B4C、TiC中的一種或幾種的混合。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述晶須為SiC、AlN、9Al2O3·2B2O3(Al18B4O33)、Si3N4、2MgO·B2O3(Mg2B3O5)中的一種或幾種的混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的8％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的5％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的15％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的10％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的25％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的14％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的40％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的18％。
全文摘要
三氧化二鉍包覆陶瓷相增強鋁基復(fù)合材料，它涉及一種新型的復(fù)合材料。本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料由三氧化二鉍、陶瓷相增強體和鋁基體三種成分組成，其中陶瓷相增強體的體積分?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)的5～50％，三氧化二鉍的加入量占陶瓷相增強體質(zhì)量的2～20％。包覆物三氧化二鉍基本都在增強體和基體的界面處，并且三氧化二鉍和基體鋁發(fā)生鋁熱反應(yīng)，生成低熔點金屬鉍都分布在增強體和基體的界面處。在復(fù)合材料熱變形時，溫度高于金屬鉍的熔點270℃，界面處的低熔點金屬鉍熔化變成液體，在增強體和基體之間起到潤滑作用，降低了變形溫度和加工成本，減少了陶瓷相增強體的損傷，變形后的復(fù)合材料仍有優(yōu)良的力學(xué)性能。
文檔編號C22C21/00GK1648270SQ20051000968
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者費維棟, 李志軍, 王黎東 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)