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1、(10)申请公布号 CN 102965533 A (43)申请公布日 2013.03.13 CN 102965533 A *CN102965533A* (21)申请号 201210344114.9 (22)申请日 2012.09.17 C22C 1/05(2006.01) C22C 32/00(2006.01) C22C 47/12(2006.01) C22C 49/14(2006.01) C22C 101/02(2006.01) C22C 101/06(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 费维栋 王。
2、黎东 张磊 王文广 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 金永焕 (54) 发明名称 纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法 及利用该预制件制备轻金属基复合材料的方法 (57) 摘要 纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法 及利用该预制件制备轻金属基复合材料的方法, 它涉及预制件的制备方法以及利用该预制件制备 轻金属基复合材料的方法。本发明是要解决现有 方法制备的预制件强度低以及轻金属基复合材料 的拉伸强度低的问题。制备方法 : 一、 制备纳米氧 化锆前驱体 ; 二、 将陶瓷增强体与纳米氧化锆前 驱体溶液混合, 进行预制件成型并烧结处理, 即得 到纳。
3、米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件, 将本发明制 备的预制件与轻金属复合, 制备轻金属基复合材 料。 本发明制备的预制件的压缩强度提高了50 100, 轻金属基复合材料的拉伸强度提高 5 20。本发明应用在航天、 汽车以及民用工程领 域。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/2 页 2 1. 纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 其特征在于制备方法通过以下步骤 实现 : 一、 制备纳米氧化锆前驱体溶液 ; 二、 将陶瓷增强体与纳米氧化锆前驱。
4、体溶液进行混 合, 然后倒入模具内压制成型并在 500 1000下进行烧结处理, 烧结处理后陶瓷增强体 与纳米氧化锆的质量比为(230)100, 即得到纳米氧化锆/陶瓷增强体预制件 ; 其中陶 瓷增强体为颗粒、 晶须其中的一种, 或颗粒和晶须按任意比的混合物, 所述颗粒为锂霞石颗 粒、 Al2O3颗粒、 SiC 颗粒、 Si3N4颗粒、 AlN 颗粒和 TiC 颗粒中的一种或几种按任意比混合的 混合物 ; 晶须为 9Al2O32B2O3晶须、 2MgOB2O3晶须、 SiC 晶须、 AlN 晶须、 Si3N4晶须、 CaSO4 晶须和 CaCO3晶须中的一种或几种按任意比混合的混合物。 2. 。
5、根据权利要求 1 所述的纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 其特征在于 步骤一中纳米氧化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的氧氯化锆水溶液, 然后加入阴离子交换树脂并搅拌, 直至氧氯化锆水溶液 pH 值为 2 3, 即得到纳米氧化锆前驱体溶液。 3. 根据权利要求 1 所述的纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 其特征在于 步骤一中纳米氧化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.11mol/L的氧氯化锆水溶液, 然后向氧氯化锆溶液中滴加摩尔浓度为0.24mol/L的 氨水直到氧氯化锆水。
6、溶液 pH 值为 2 3, 即得到纳米氧化锆前驱体溶液。 4. 根据权利要求 1 所述的纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 其特征在于 步骤一中纳米氧化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的氧氯化锆水溶液, 然后将制备的氧氯化锆水溶液加热至沸腾, 直到溶液 pH 值为 2 3, 即得到纳米氧化锆前驱体溶液。 5. 根据权利要求 1 所述的纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 其特征在于 步骤一中纳米氧化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的氧氯化锆水溶液, 然后按尿。
7、素与氧氯化锆的摩尔比为 (1.5 2.5) 1 的 比例向加入氧氯化锆水溶液中加入尿素, 然后用摩尔浓度为0.52mol/L的稀硝酸调节溶 液 pH 值至 1 2, 在磁力搅拌下进行加热反应, 保持反应温度在 80 90, 直到溶液 pH 值 为 2 3, 即得到纳米氧化锆前驱体溶液。 6. 根据权利要求 1 所述的纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 其特征在于 步骤一中纳米氧化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的氧氯化锆水溶液, 按六次甲基四胺与氧氯化锆的摩尔比为 (1 2) 1 的 比例加入六次甲基四胺, 然后进行水浴, 。
8、保持反应温度在 80 90之间, 直到溶液 pH 值为 2 3, 即得到纳米氧化锆前驱体溶液。 7. 根据权利要求 1 所述的纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 其特征在于步 骤二中将陶瓷增强体与纳米氧化锆前驱体溶液按质量比为 10 100 的比例进行混合。 8.利用如权利要求1所述的纳米氧化锆/陶瓷增强体预制件制备轻金属基复合材料的 方法, 其特征在于该方法的具体步骤为 : 一、 将轻金属加热熔化, 得到轻金属溶液 ; 二、 将纳 米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件放入模具中, 然后预热至温度为 400 600 ; 三、 然后在温 度为8001000的条件下, 将轻金属溶液浇铸进模具,。
9、 其中纳米氧化锆/陶瓷增强体预制 件与轻金属溶液的体积比为 (20 40) 100 ; 四、 在压力为 100MPa 的条件下进行挤压铸 造, 即得轻金属基复合材料 ; 其中轻金属为纯铝、 铝合金、 纯镁或镁合金。 权 利 要 求 书 CN 102965533 A 2 2/2 页 3 9.根据权利要求8所述的利用纳米氧化锆/陶瓷增强体预制件制备轻金属基复合材料 的方法, 其特征在于步骤二中预热至温度为 500。 10. 根据权利要求 9 所述的利用纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件制备轻金属基复合材 料的方法, 其特征在于在温度为 900的条件下, 将轻金属溶液浇铸进模具。 权 利 要 求 书 。
10、CN 102965533 A 3 1/4 页 4 纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法及利用该预制 件制备轻金属基复合材料的方法 技术领域 0001 本发明涉及预制件的制备方法以及利用该预制件制备轻金属基复合材料的方法。 背景技术 0002 金属基复合材料, 特别是轻金属基复合材料具有巨大的应用潜力, 有些材料已经 应用在了航天、 汽车以及民用工程领域内。这种材料具有高强度、 高模量、 低膨胀系数的同 时又具有很好的延展性和可加工特性, 但是, 复合材料制备过程中受限于增强相的体系和 性能, 制备工艺较严苛, 制备出来的复合材料易出现缺陷。造成这种情况的主要原因在于, 现有复合材料中陶瓷。
11、增强体和基体的浸润性差, 界面结合强度低, 陶瓷增强体制备的预制 件强度低, 导致在制备过程中易产生缺陷, 影响复合材料的力学性能, 尤其是拉伸强度, 经 过对陶瓷增强体表面进行涂覆处理能够在一定程度上有所改善但效果不明显。 发明内容 0003 本发明是要解决现有方法制备的预制件强度低以及轻金属基复合材料的拉伸强 度低的问题, 提供纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法及利用该预制件制备轻金属 基复合材料的方法。 0004 本发明的纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法按以下步骤进行 : 一、 制备 纳米氧化锆前驱体溶液 ; 二、 将陶瓷增强体与纳米氧化锆前驱体溶液进行混合, 然后倒入。
12、模 具内压制成型并在 500 1000下进行烧结处理, 烧结处理后陶瓷增强体与纳米氧化锆的 质量比为 (2 30) 100, 即得到纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件 ; 其中陶瓷增强体为颗 粒、 晶须其中的一种, 或颗粒和晶须按任意比的混合物, 所述颗粒为锂霞石颗粒、 Al2O3颗粒、 SiC 颗粒、 Si3N4颗粒、 AlN 颗粒和 TiC 颗粒中的一种或几种按任意比混合的混合物 ; 晶须为 9Al2O32B2O3晶须、 2MgOB2O3晶须、 SiC 晶须、 AlN 晶须、 Si3N4晶须、 CaSO4晶须和 CaCO3晶 须中的一种或几种按任意比混合的混合物。 0005 纳米氧化锆 / 。
13、陶瓷增强体预制件制备轻金属基复合材料的方法按以下步骤进行 : 一、 将轻金属加热熔化, 得到轻金属溶液 ; 二、 将纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件放入模具 中, 然后预热至温度为 400 600 ; 三、 然后在温度为 800 1000的条件下, 将轻金属 溶液浇铸进模具, 其中纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件与轻金属溶液的体积比为 (20 40) 100 ; 四、 在压力为 100MPa 的条件下进行挤压铸造, 即得轻金属基复合材料 ; 其中轻 金属为纯铝、 铝合金、 纯镁或镁合金。 0006 本发明将纳米氧化锆和陶瓷增强体混合制备预制件, 使预制件的压缩强度提高了 50 100, 通过提。
14、高预制件的强度减少了复合材料缺陷的产生, 并且利用该预制件制备 轻金属基复合材料可以使复合材料的的拉伸强度提高 5 20。 附图说明 说 明 书 CN 102965533 A 4 2/4 页 5 0007 图 1 是不同的陶瓷增强体制备的预制件的抗压缩强度对比图 ; 0008 图 2 是工业纯铝及被不同方法增强后抗拉强度对比图。 具体实施方式 0009 本发明的技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式, 还包括各具体实施方式 间的任意组合。 0010 具体实施方式一 : 纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 其制备方法通过 以下步骤实现 : 一、 制备纳米氧化锆前驱体溶液 ; 二、 将。
15、陶瓷增强体与纳米氧化锆前驱体溶 液进行混合, 然后倒入模具内压制成型并在 500 1000下进行烧结处理, 烧结处理后陶 瓷增强体与纳米氧化锆的质量比为 (2 30) 100, 即得到纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制 件 ; 其中陶瓷增强体为颗粒、 晶须其中的一种, 或颗粒和晶须按任意比的混合物, 所述颗粒 为锂霞石颗粒、 Al2O3颗粒、 SiC 颗粒、 Si3N4颗粒、 AlN 颗粒和 TiC 颗粒中的一种或几种按任 意比混合的混合物 ; 晶须为 9Al2O32B2O3晶须、 2MgOB2O3晶须、 SiC 晶须、 AlN 晶须、 Si3N4 晶须、 CaSO4晶须和 CaCO3晶须中的一种。
16、或几种按任意比混合的混合物。 0011 本实施方式将纳米氧化锆和陶瓷增强体混合制备预制件, 使预制件的压缩强度提 高了 50 100, 通过提高预制件的强度减少了复合材料缺陷的产生。 0012 具体实施方式二 : 本实施方式与具体实施方式一不同的是 : 步骤一中纳米氧化锆 前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的氧氯 化锆水溶液, 然后加入阴离子交换树脂并搅拌, 直至氧氯化锆水溶液 pH 值为 2 3, 即得到 纳米氧化锆前驱体溶液。其它与具体实施方式一相同。 0013 具体实施方式三 : 本实施方式与具体实施方式一或二不同的是 : 步骤一中。
17、纳米氧 化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的 氧氯化锆水溶液, 然后向氧氯化锆溶液中滴加摩尔浓度为 0.2 4mol/L 的氨水直到氧氯 化锆水溶液 pH 值为 2 3, 即得到纳米氧化锆前驱体溶液。其它与具体实施方式一或二相 同。 0014 具体实施方式四 : 本实施方式与具体实施方式一至三不同的是 : 步骤一中纳米氧 化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的 氧氯化 锆水溶液, 然后将制备的氧氯化锆水溶液加热至沸腾, 直到溶液pH值为23, 即得 到纳米氧化锆前驱体溶液。其它。
18、与具体实施方式一至三之一相同。 0015 具体实施方式五 : 本实施方式与具体实施方式一至四不同的是 : 步骤一中纳米氧 化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的 氧氯化锆水溶液, 然后按尿素与氧氯化锆的摩尔比为 (1.5 2.5) 1 的比例向加入氧氯 化锆水溶液中加入尿素, 然后用摩尔浓度为 0.5 2mol/L 的稀硝酸调节溶液 pH 值至 1 2, 在磁力搅拌下进行加热反应, 保持反应温度在 80 90, 直到溶液 pH 值为 2 3, 即得 到纳米氧化锆前驱体溶液。其它与具体实施方式一至四之一相同。 0016 具体实施方式六 :。
19、 步骤一中纳米氧化锆前驱体的制备方法为 : 将氧氯化锆溶于去 离子水中, 得到摩尔浓度为 0.1 1mol/L 的氧氯化锆水溶液, 按六次甲基四胺与氧氯化锆 的摩尔比为 (1 2) 1 的比例加入六次甲基四胺, 然后进行水浴, 保持反应温度在 80 90之间, 直到溶液pH值为23, 即得到纳米氧化锆前驱体溶液。 其它与具体实施方式一 说 明 书 CN 102965533 A 5 3/4 页 6 至五之一相同。 0017 具体实施方式七 : 本实施方式与具体实施方式一至六不同的是 : 步骤二中将陶瓷 增强体与纳米氧化锆前驱体溶液按质量比为 10 100 的比例进行混合。其它与具体实施 方式一至。
20、六之一相同。 0018 具体实施方式八 : 利用纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件制备轻金属基复合材料的 方法, 具体步骤为 : 一、 将轻金属加热熔化, 得到轻金属溶液 ; 二、 将纳米氧化锆 / 陶瓷增强 体预制件放入模具中, 然后预热至温度为 400 600 ; 三、 然后在温度为 800 1000的 条件下, 将轻金属溶液浇铸进模具, 其中纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件与轻金属溶液的 体积比为 (20 40) 100 ; 四、 在压力为 100MPa 的条件下进行挤压铸造, 即得轻金属基复 合材料 ; 其中轻金属为纯铝、 铝合金、 纯镁或镁合金。 0019 本实施方式制备的轻金属基复合。
21、材料的抗拉强度提高了 5 20。 0020 具体实施方式九 : 本实施方式与具体实施方式八不同的是 : 步骤二中预热至温度 为 500。其它与具体实施方式九相同。 0021 具体实施方式十 : 本实施方式与具体实施方式八或九不同的是 : 步骤三中在温度 为 900的条件下, 将轻金属溶液浇铸进模具。其它与具体实施方式八或九相同。 0022 通过以下试验验证本发明的有益效果 : 0023 试验 1 : 0024 试验分为对照组和试验组 ; 0025 试验组的纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法, 是通过以下步骤实现的 : 一、 制备纳米氧化锆前驱体溶液, 具体方法为 : 将氧氯化锆溶于去离。
22、子水中, 得到摩尔浓度 为 0.5mol/L 的氧氯化锆水溶液, 然后加入阴离子交换树脂并搅拌, 直至氧氯化锆水溶液 pH 值为 2.5, 即得到纳米氧化锆前驱体 ; 二、 将陶瓷增强体与纳米氧化锆前驱体溶液按质量 比为 10 100 的比例进行混合 ; 三、 将混合粉体倒入模具内压制成型并在 500 1000 下进行烧结处理, 即得到纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件的制备方法 ; 其中陶瓷增强体为 2MgOB2O3晶须。 0026 对照组 1 为由晶须是 2MgOB2O3的陶瓷增强体制成的预制件 ; 0027 对照组 2 为在对照组 1 中的陶瓷增强体的表面涂覆纳米氧化物, 纳米氧化物与陶 。
23、瓷增强体的质量比为 10 100, 然后制成预制件。 0028 对试验组、 对照组 1 和对照组 2 进行压缩强度测试, 结果如图 1 所示, 由图 1 可见, 试验组的压缩强度远高于对照组的压缩强度。 0029 试验 2 : 0030 试验分为试验组和对照组 ; 0031 试验组的利用纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件制备轻金属基复合材料的方法, 是 通过以下步骤实现的 : 一、 将纯铝锭加热熔化, 得到铝溶液 ; 二、 预热模具至温度为 500, 然后将纳米氧化锆 / 陶瓷增强体预制件放入模具中 ; 三、 在温度为 9000的条件下, 将铝溶 液浇铸进模具, 其中纳米氧化锆 / 陶瓷增强体与。
24、铝溶液的体积比为 30 100 ; 四、 在压力为 100MPa 的条件下进行挤压铸造, 保持 10min, 既得铝基复合材料。 0032 对照组 1 是工业纯铝, 为市售产品 ; 0033 对照组 2、 陶瓷增强体增强复合材料, 由晶须是 2MgOB2O3的陶瓷增强体制备的预 说 明 书 CN 102965533 A 6 4/4 页 7 制件增强纯铝基复合材料 ; 0034 对照组 3、 涂覆陶瓷增强体增强复合材料, 为在对照组 2 中的陶瓷增强体的表面涂 覆纳米氧化物, 纳米氧化物与陶瓷增强体的质量比为 10 100, 然后制备预制件, 最后制成 涂覆陶瓷增强体增强复合材料 ; 0035 对试验组和对照组进行抗拉强度测试, 结果如图 2 所示, 由图 2 可知, 试验组的抗 拉强度远高于对照组的抗拉强度。 说 明 书 CN 102965533 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102965533 A 8 。