[发明专利]一种纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒增强铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及到一种利用组合电磁场与超声场形成的耦合外场对铝基复合材料的熔体反应合成过程进行控制的新方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料由于具有复合的结构特征而兼备良好的力学性能和理化性能，在先进的电工电子器件、航空航天器、机械、桥梁隧道工程等领域具有广阔的应用前景，已成为近年来金属基复合材料的研究热点之一。随着研究的深入，颗粒增强铝基复合材料正逐渐成为一种应用越来越广泛的新型材料。目前，熔体反应合成法是制备颗粒增强铝基复合材料的重要方法，该方法是通过向熔体内加入反应物，通过反应物与铝基体间的原位化学反应形成增强颗粒相。由于加入的反应物基本上都是固相，所以反应物与熔体之间的反应属典型的固-液相反应，固相反应物的分散、原位化学反应以及原位颗粒的形核长大、分散等都对原位复合制备过程有重要影响，进而影响材料的组织和性能，因此，熔体反应合成的过程控制一直是熔体反应法制备颗粒增强铝基复合材料的关键，备受重视。

经检索，中国专利CN101391291A提出一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法，对熔体的原位反应合成过程施加由旋转磁场和行波磁场组合的磁场，该发明可以改善固相反应物和生成颗粒的分散性，从而改善反应的动力学条件，该发明所施加的组合磁场，都是低频磁场(＜100Hz)以实现电磁搅拌作用为主，由于低频磁场的能量低且分散，对化学反应的热力学条件影响较弱。提出在原位合成过程施加低频磁场搅拌的现有技术还有：中国专利CN 101199989(发明名称：异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法)和中国专利CN 1667147C(发明名称：一种工业规模制备内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法)等。以上现有技术对熔体反应合成的整个过程施加一种形式的低频磁场，这种磁场对复合反应的热力学影响较弱。

中国专利CN 101391290A(发明名称：一种磁场与超声场耦合作用下制备金属基复合材料的方法，提出在原位反应的过程施加磁场与超声的耦合场，该发明所提出的磁场为单一的强脉冲磁场、高频振荡磁场或低频交变磁场，这种单一磁场具有各自的特色，强脉冲磁场和高频振荡磁场可以引起熔体内部的能量起伏，影响反应的热力学条件的作用突出，但其搅拌作用弱，对熔体与反应盐的混合及反应的动力学条件影响微弱；而采用低频磁场具有很好的搅拌作用，但低频磁场对反应热力学的影响甚微。因此，采用单一磁场与超声场的耦合，并没有充分发挥电磁场的优势，实现外场准确控制熔体反应合成过程的目的。

熔体直接反应合成制备原位颗粒增强复合材料的过程是典型的固液相反应，其反应过程涉及到反应的热力学和动力学，因此，欲实现对反应合成过程的作用和控制，应该同时改变原位合成反应的热力学和动力学条件，选择组合电磁场与超声场形成的耦合外场是一个理想的选择。

发明内容

本发明的目的是：根据熔体反应法制备颗粒增强复合材料的合成过程热力学和动力学的需要，提供采用组合电磁场与超声场形成的耦合场对熔体直接反应法制备原位纳米颗粒增强铝基复合材料的合成过程控制的方法和装置，充分发挥外场控制优势，改善原位合成过程的热力学和动力学条件。

本发明的目的是通过下列技术方案来实现的：

按照熔体直接反应法合成颗粒增强铝基复合材料的制备过程，即铝基熔体精炼后调整到反应起始温度，加入能与铝基熔体原位反应生成颗粒相的反应物粉剂得到复合材料熔体进行合成反应，在反应合成过程中同时施加组合电磁场和高能超声场，待反应结束，静置到浇注温度后进行浇注。

采用本发明的典型特征是：在熔体反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料的原位反应合成过程中同时施加组合电磁场与超声场，实现组合电磁场与超声场形成的耦合场对原位反应过程进行控制，进而达到改善反应热力学和动力学，实现控制颗粒尺寸、形貌以及在基体内分布的目的。实现本发明的具体的技术方案结合图1的示意图说明如下：

复合材料熔体的反应合成过程在保温耐火材料制成的容器(或坩埚)内进行，在容器的外侧安装组合磁场，该组合磁场是由高频磁场和低频磁场构成的，高频磁场安装在容器的外壁上，低频磁场安装在高频磁场的外侧，高频磁场与低频磁场线圈之间留有保证绝缘的间隙，一般为2～4cm。在复合材料熔体的上部安插超声装置的变幅杆。