專利名稱：制備金屬基納米復合材料的磁化學反應原位合成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備金屬基納米復合材料的新方法，特指制備金屬基納米復合材料的磁化學反應原位合成方法。
背景技術：
金屬基納米復合材料因兼有金屬和非金屬納米相而具有獨特的結構特征和物理、力學及化學性能，成為一種新興的納米復合材料和新型金屬功能材料，近年來已被越來越多的材料學家所認識，且其應用潛力巨大。特別是鋁基納米復合材料，由于其具有高的比強度、比模量，出色的抗疲勞能力，很好的耐熱性、耐摩擦性、耐腐蝕性，另外還具有特殊的電、磁等功能特性，且可用常規(guī)技術進行二次加工，成本大幅度降低等優(yōu)點，因此在先進的電子器件、航空航天器、光學器件、精密機械器件、醫(yī)療器件等領域具有廣闊的應用前景，已成為近年來納米復合材料及金屬功能材料中的研究熱點之一，世界各國都用巨額投資進行研究和開發(fā)[2]。然而，該材料制備十分困難，到目前為止，國內外仍然無法直接制備塊狀金屬基納米復合材料。其原因在于一方面存在納米增強體與金屬基之間潤濕性差和界面反應難以控制的問題，另一方面無機的納米粒子容易在制備或成形過程中迅速團聚或晶粒長大，因而喪失納米效應。
反應合成技術(Reactive synthesis)，又稱原位合成技術(In-situ synthesis)是目前制備亞微米顆粒增強金屬基復合材料的有效方法之一。其基本原理是在金屬基體中加入或通入能生成某種第二相的合金元素或化合物，在一定溫度下于金屬基體中發(fā)生原位反應，形成原位復合材料。近年來，反應合成技術已開始被用于制備金屬基納米復合材料。英國科學家通過氣/液反應快速凝固技術得到納米級AlN顆粒晶內增強Al基復合材料，并研究了其形成和顆粒強化機制。最近，美國麻省理工學院(MIT)的研究者們通過混合二組元或多組元液態(tài)金屬發(fā)生化學反應并快速凝固，制備了納米尺寸(50nm)TiB2顆粒增強Cu基原位復合材料，它具有制備技術簡單、納米顆粒均勻、且彌散分布于基體等優(yōu)點。
利用物理手段來控制和促進化學反應，是科技界十分關注的研究領域。電、光、聲、磁四大物理因子與化學反應的關系相應地產生了電化學、光化學、聲化學和磁化學技術。電化學、光化學技術已獲得廣泛的工業(yè)應用，而聲化學和磁化學技術仍在研究開發(fā)中，其中，磁化學技術在高科技領域有著廣闊的應用前景，是目前鮮為人知的一枝獨秀。磁化學技術(Magnetochemistry)就是在化學反應中對特定的反應體系施加磁場，以改變反應的過程并影響反應的產物。在高分子材料領域，磁化學技術的研究較為深入。國內外研究結果表明，在磁場作用下高聚物的產率和分子量顯著提高，并使反應加快，性能也顯著提高。磁場對金屬材料也有著重要影響，最近開發(fā)了強脈沖磁場改善金屬凝固組織的新技術，研究表明強脈沖磁場使鋁合金的凝固組織從粗大的樹枝晶細化為等軸晶，而且磁場愈強，細化效果愈顯著。磁場細化金屬凝固組織的新技術可應用于各種金屬材料。然而，磁場作用于金屬熔體中化學合成復合材料，即磁化學技術在金屬基復合材料中應用至今尚未見報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明開發(fā)了制備金屬基納米復合材料的磁化學反應原位合成方法，即在磁場下進行金屬熔體與金屬粉末或無機鹽的化學反應合成，并通過快速凝固技術，進一步控制原位合成顆粒尺寸在納米尺度，從而獲得金屬基納米復合材料。
本發(fā)明的技術方案其特征在于主要包括反應體系的優(yōu)化和磁化學反應合成技術兩方面(1)反應體系的優(yōu)化反應體系由鋁熔體或其合金、銅熔體或其合金和含顆粒形成元素的金屬粉末或化合物粉體組成，它們可以是下列組合方案之一①Al-Zr粉-B粉；②Cu-Zr粉-B粉；③Al-Zr(CO3)2-B2O3；④Cu-ZrOCl2-B2O3；將反應物按一定比例混合至均勻，200℃下預熱2h后留以待用；(2)磁化學反應合成技術將復合材料基體合金如純鋁或其合金、銅或其合金在電感應加熱裝置的陶瓷或石墨坩堝中熔化，加熱溫度為該合金熔點以上200～300℃，基體合金液經精煉、靜置后，將按一定配比混合的反應物通過導管加入基體熔液中，同時通入氬氣作為保護氣，并施加外加磁場，外加磁場包括直流磁場，交流磁場及強脈沖磁場，使反應在外加磁場作用下充分進行磁化學合成，用攪拌棒進行攪拌，直至反應結束，反應時間為30～50min，其中，磁場條件分別為直流磁場，其磁感應強度為0.1～0.3T；交流磁場，其磁感應強度為0.03～0.07T，磁場頻率50Hz；強脈沖磁場，其脈沖電流頻率為1.5～5Hz，脈沖電流密度為1000～1500A/cm2，約30s一次；在磁化學反應的同時進行保溫，保溫溫度與反應溫度相同，不同反應體系，反應溫度不同；反應結束后，靜置10min，進行氮氣除氣精煉，時間為8～15min；澆入快速冷卻的水冷模中，從而制備內生納米顆粒增強鋁基復合材料塊體。
本發(fā)明是磁化學效應應用在熔體反應合成技術上，生成顆粒增強鋁基復合材料，使生成的顆粒細小，分布均勻，從而獲得組織穩(wěn)定且較為理想的內生顆粒增強鋁基復合材料，與目前的粉末冶金法和N2等離子制備納米粉作為原料、成型燒結法相比，不僅制備工藝簡單、成本低、且可制得尺寸較大的塊體金屬基納米復合材料。


為了對本發(fā)明作更詳細的描述，結合實施例與圖簡介如下圖1磁化學合成裝置示意圖；圖2金屬基納米復合材料微觀組織圖1攪拌棒 2熱電偶 3金屬熔體 4陶瓷坩堝 5強脈沖磁場或交流磁場或直流磁場6電阻爐 7熱電偶 8導管具體實施方式
實施例1加熱電阻爐6至1000℃，使得陶瓷坩堝4中的金屬鋁熔融，熔融鋁精煉、靜置后，將占鋁液10％wt的金屬鋯粉(純度99％，平均粒度120um)和硼粉(結晶態(tài)，純度95％，粒度＜50um)按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行混合并攪拌均勻，然后在200℃下預熱2h后通過導管8加入到熔融的鋁中，同時通入氬氣作為保護氣，并在磁感應強度為0.26T的直流磁場5作用下進行磁化學反應原位合成，用攪拌棒1進行攪拌，同時進行保溫，磁化學反應合成30min后，靜置10min，進行氮氣精煉8min，隨后澆入快速冷卻的水冷銅模中，從而制備內生納米ZrB2顆粒增強鋁基復合材料，顆粒體積分數(shù)為6.5％。
實施例2加熱電阻爐(6)至1400℃，使得陶瓷坩堝(4)中的金屬銅熔融，熔融銅精煉、靜置后，將占銅液15％wt的金屬鋯粉(純度99％，平均粒度120um)和硼粉(結晶態(tài)，純度95％，粒度＜50um)按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行混合并攪拌均勻，然后在200℃下預熱2h后通過導管(8)加入到熔融的銅中，同時通入氬氣作為保護氣，并在磁感應強度為0.05T，磁場頻率50Hz的交流磁場5作用下進行磁化學反應原位合成，用攪拌棒(1)進行攪拌，同時進行保溫，磁化學反應合成40min后，靜置10min，進行氮氣精煉12min，隨后澆入快速冷卻的水冷鋼模中，從而制備內生納米ZrB2顆粒增強銅基復合材料，顆粒體積分數(shù)為10.8％。
實施例3加熱電阻爐(6)至1100℃，使得陶瓷坩堝(4)中的A356熔融，A356精煉、靜置后，將占A356基體的15％wt的反應原材料Zr(CO3)2+B2O3混合粉(純度99％，平均粒度80um)，按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行混合并攪拌均勻，然后在200℃下預熱2h后通過導管(8)加入到熔融的A356中，同時通入氬氣作為保護氣，并在脈沖電流頻率為4Hz，脈沖電流密度為1200A/cm2，約30s一次的強脈沖磁場5脈沖作用下進行磁化學反應原位合成，用攪拌棒(1)進行攪拌，同時進行保溫，磁化學反應合成50min后，靜置10min，進行氮氣精煉12min，隨后澆入快速冷卻的水冷銅模中，從而制備內生納米(ZrB2+Al2O3+Al3Zr)顆粒增強鋁基復合材料，顆粒體積分數(shù)為11.6％。
實施例4加熱電阻爐(6)至1500℃，使得陶瓷坩堝(4)中的銅合金熔融，銅合金精煉、靜置后，將占銅合金20％wt反應原材料ZrOCl2+B2O3混合粉(純度99％，平均粒度120um)，按原子摩爾比Zr∶B＝1∶2進行混合并攪拌均勻，然后在200℃下預熱2h后通過導管(8)加入到熔融的銅合金中，同時通入氬氣作為保護氣，并在磁感應強度為0.07T，磁場頻率50Hz的交流磁場5作用下進行磁化學反應原位合成，用攪拌棒(1)進行攪拌，同時進行保溫，磁化學反應合成50min后，靜置10min，進行氮氣精煉15min，隨后澆入快速冷卻的水冷鋼模中，從而制備內生納米(ZrB2+Al2O3+Al3Zr)顆粒增強銅基復合材料，顆粒體積分數(shù)為14.8％。
權利要求
1.制備金屬基納米復合材料的磁化學反應原位合成方法，其特征在于主要包括反應體系的優(yōu)化和磁化學反應合成技術兩方面(1)反應體系的優(yōu)化反應體系由鋁熔體或其合金、銅熔體或其合金和含顆粒形成元素的金屬或化合物粉體組成，它們可以是下列組合方案之一①Al-Zr粉-B粉；②Cu-Zr粉-B粉；③Al-Zr(CO3)2-B2O3④Cu-ZrOCl2-B2O3。將反應物按一定比例混合至均勻，200℃下預熱2h后留以待用；(2)磁化學反應合成技術將復合材料基體合金如純鋁或其合金、純銅或其合金在電感應加熱裝置的套瓷坩堝中熔化，加熱溫度為該合金熔點以上200～300℃，基體合金精煉、靜置后，將按一定配比混合的反應物通過導管加入基體熔液中，同時通入氬氣作為保護氣，并施加外加磁場，外加磁場包括直流磁場，交流磁場及強脈沖磁場，使反應在外加磁場作用下充分進行磁化學合成，用攪拌棒進行攪拌，直至反應結束，反應時間為30～50min，其中，磁場條件分別為直流磁場，其磁感應強度為0.1～0.3T；交流磁場，其磁感應強度為0.03～0.07T，磁場頻率50Hz；強脈沖磁場，其脈沖電流頻率為1.5～5Hz，脈沖電流密度為1000～1500A/cm2，約30s一次；在磁化學反應的同時進行保溫，保溫溫度與反應溫度相同，不同反應體系，反應溫度不同；反應結束后，靜置10min，進行氮氣除氣精煉，時間為8～15min；澆入快速冷卻的水冷模中，從而制備內生納米顆粒增強鋁基復合材料塊體。
2.根據(jù)制備金屬基納米復合材料的磁化學反應原位合成方法，其特征在于所述復合材料基體合金為下列之一純鋁、純銅或及其合金。
全文摘要
本發(fā)明開發(fā)了制備金屬基納米復合材料的磁化學反應原位合成方法，在磁場下進行金屬熔體與金屬粉末或無機鹽的化學反應合成，并通過快速凝固技術，進一步控制原位合成顆粒尺寸在納米尺度，從而獲得金屬基納米復合材料。本發(fā)明制備的金屬基納米復合材料，不僅納米相顆粒形態(tài)一致，而且尺寸和分布較均勻。此外，本發(fā)明與目前的粉末冶金法和N
文檔編號C22C9/00GK1676641SQ20051003863
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權日2005年3月31日
發(fā)明者趙玉濤, 戴起勛, 程曉農, 李桂榮, 朱延山 申請人:江蘇大學