累积叠轧及热处理制备多层结构的金属/纳米粒子复合材料的方法

摘要

本发明公开一种累积叠轧及热处理制备多层结构的金属/纳米粒子复合材料的方法。以厚度适中的层状高通孔率的泡沫金属为骨架，在上面负载一层厚度均匀的纳米陶瓷粒子薄膜，经累积叠轧后泡沫金属的空隙完全消失，实现了在固相制备过程中高体积比例纳米陶瓷粒子在金属中的均匀分散。本发明能将不同陶瓷粒子与不同泡沫金属复合为多层纳米晶、超细晶复合材料，纳米陶瓷粒子与金属界面结合强、多层金属结构间界面结合强。产品具有塑性韧性好、疲劳拉伸强度高、导电性优异、无毒性等特点；工艺简单、操作方便，一定程度上解决了传统工艺不能将纳米粉均匀分散到金属中的难题。

主权项

一种累积叠轧及热处理制备多层结构的金属/纳米粒子复合材料的方法，其特征在于具体步骤为：（1）制备纳米陶瓷粒子胶体：将30 g 平均粒径为30~300 nm的纳米陶瓷粉、2~3 g分散剂、3~5 g增塑剂、2~4 g羧甲基纤维素、5~10 g粘结剂和1~5 g消泡剂加入1000mL蒸馏水混合均匀，向浆料中加入碱性物质将pH值调至9~12，经过真空球磨30~300 分钟，再利用真空减压搅拌和超声波振荡将纳米陶瓷粉分散在溶剂蒸馏水中后脱除汽泡，形成纳米陶瓷粒子胶体，纳米陶瓷粒子在溶剂分散液中含量为0.5~5 mg/mL；（2）泡沫金属表面处理：以拉伸强度为10 MPa、孔径为20~120 PPI、通孔率为70%~98%的三维连通网孔状结构的泡沫金属为原料，裁剪成厚度为1~5 mm规格相同的板材；然后浸泡在重量百分比浓度为0.1~10％的酸性物质中保持30分钟，取出后在真空度50~ 200Pa、氮气或氩气下，温度50~150 ℃，干燥30~300分钟；（3）负载胶体薄膜：将步骤（2）干燥后的泡沫金属用步骤（1）获得的纳米陶瓷粒子胶体喷淋或浸泡0.5~4 小时，保持胶体温度20~50 ℃，晾干后又进行喷淋或浸泡，重复3次，获得厚度20~100 μm均匀致密的纳米陶瓷粒子胶体负载层；（4）排胶：取出步骤（3）所得具有纳米陶瓷粒子胶体负载层的泡沫金属于200 ~300℃干燥12 小时后排除胶体的胶质和水分，获得纳米陶瓷粒子/泡沫金属复合体，此时纳米陶瓷粒子质量为连通孔泡沫金属的1~20 ％；（5）组装和预热：将步骤（4）处理后的纳米陶瓷粒子/泡沫金属复合体两块或三块，将表面压合在一起后，将板材四周用铆接固定，置于氩气保护下的加热炉中，加热至400~500 ℃，保温1~2小时，上述纳米陶瓷粒子/泡沫金属复合体的组合方式为：双层同质、双层异质或三层异质；（6）累积叠轧与裁剪：取出步骤（5）预热后的板材用轧机进行一个道次的轧制变形，压下量50%，轧制压力50~300 MPa，然后裁剪成形状相同的2份后按照顺序叠放整齐将板材四周用铆接固定，置于氩气保护下的加热炉中，加热至400 ~500℃取出，进行第2 次的累积叠轧操作；（7）重复步骤（5）和（6），共叠轧5~8次，制备出金属复合板材；（8）冷轧变形：将步骤（7）累积叠轧后的金属复合板材继续进行冷轧变形，道次变形量为15~30%，轧制压力200~400 MPa，然后经轧机轧制成型得合金板材；（9）热处理：将步骤（8）冷轧变形后的合金板材加热到200～550 ℃，保温60～300分钟，在空气中冷却至室温，得；所述纳米陶瓷粉为平均粒径为30‑300nm的SiC、B₄C、Al₂O₃，SiO₂、TiB₂、BN和MoS₂中的一种或多种；所述分散剂为三硬脂酸甘油酯或乙烯基双硬脂酰胺；所述增塑剂为邻苯二甲酸二正辛酯或邻苯二甲酸丁苄酯；所述粘结剂为聚醛基粘结剂或油基粘结剂；所述消泡剂为乳化硅油或高碳醇脂肪酸酯复合物；所述碱性物质为分析纯氢氧化钠或氢氧化钾和氢氧化铝；所述酸性物质为磷酸或亚硫酸和硝酸中；所述泡沫金属为泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜和泡沫铁中的两种或三种。