[发明专利]一种金属陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属陶瓷复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

某些使用金属结构的场合，为了减轻重量而采用空心金属结构焊接而成，如自行车车架、行李箱拉杆、工程梁等。这些空心结构性能的优劣直接影响了相应结构的使用性能和使用寿命，若使用强度较高的合金制造空心结构会造成成本较高，而廉价材料制成的空心结构强度较低，在长期使用过程中或在承受较大冲击载荷时很难保证安全。在某些场合使用金属实心结构时，虽然金属实心结构保证了承受载荷所需要的强度，但往往会存在重量大、耗费材料多、成本高的问题，在安装架设过程中需要耗费大量的人力物力，并且高的自重对整体结构的性能会带来一些安全隐患。

多孔材料具有密度低，比强度高的特点，但脆性大，一旦开裂则无法继续使用。金属材料的塑性及韧性好、易于加工成型、使用过程中不易发生脆断，但密度高、刚性差。

在多孔材料中，玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶具有孔状网络空间结构、较低的密度和较大的表面积，通常作为隔热材料、催化剂载体和吸附剂使用，但该材料脆性大、强度低，目前还没有将其应用到承重材料中的报道。

自蔓延高温合成（self–propagation high–temperature synthesis，简称SHS）：又称为燃烧合成（combustion synthesis）技术，是利用反应物之间高化学反应热的自加热和自传导作用合成材料。当反应物一旦被引燃，热量便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全。目前有将SHS与离心铸造相结合的SHS-离心法，用于制备陶瓷内衬钢管，所述陶瓷内衬钢管主要用于腐蚀性气体和液体的运输（徐鑫.自蔓延-离心法合成陶瓷内衬金属管研究进展.冶金能源,2000,19(1):50-53）。

因此，有必要将高韧性的金属与具有多孔结构的陶瓷进行复合，得到一种高强度、低自重的金属陶瓷复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种金属陶瓷复合材料，所述金属陶瓷复合材料强度高、重量轻，金属和陶瓷之间结合可靠。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种金属陶瓷复合材料，所述金属陶瓷复合材料由金属外套和多孔陶瓷组成，其中多孔陶瓷为块体材料，所述金属外套通过自蔓延燃烧或粘接工艺包覆在多孔陶瓷外部；

其中，优选当金属外套通过自蔓延燃烧工艺包覆在多孔陶瓷外部时，金属外套材料为钢，多孔陶瓷为B₄C/Al₂O₃复相陶瓷；

优选当金属外套通过自蔓延燃烧工艺包覆在多孔陶瓷外部时，金属陶瓷复合材料的制备方法如下：

（1）将Al、碳黑和B₂O₃按9∶1∶10的重量比，经混合、球磨、干燥、过筛后，得到混合粉体；

（2）将混合粉体填充于垂直放置的钢管中，压实得到预制体；

（3）将预制体放置在水平面上，一端涂抹点火剂，用钨丝在涂抹点火剂的一端点火，在钨丝两端输入220V的交流电压，点燃混合粉体，SHS反应开始；几十秒后反应完成，得到所述金属陶瓷复合材料。

优选所述点火剂为乙醚。

优选当金属外套通过自蔓延燃烧工艺包覆在多孔陶瓷外部时，金属陶瓷复合材料的制备方法如下：

（1）将Al、碳黑和B₂O₃按9∶1∶10的重量比，经混合、球磨、干燥、过筛后，得到混合粉体；

（2）将混合粉体填充于垂直放置的钢管中，压实得到预制体；

（3）将预制体横置在炉腔内，对炉腔抽真空至压强≤10Pa；调节微波烧结炉功率为2～4Kw，开始加热，10～20min之后，当炉腔温度达到1100~1200℃时反应物料被点燃，此时SHS反应开始，可关闭电源。反应放出的大量热量使后续反应可以在无外加热源的状态下自行进行，整个反应通常在几十秒内完成。

其中，优选当金属外套通过粘接工艺包覆在多孔陶瓷外部时，金属外套材料为钢，多孔陶瓷为玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶；

优选当金属外套通过粘接工艺包覆在多孔陶瓷外部时，金属陶瓷复合材料的制备方法为：将粘结剂涂覆在金属外套内壁，装入玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶，固化后得到本发明所述的金属陶瓷复合材料。

优选所述粘接剂为将E-44环氧树脂和E-888固化剂混合后得到，E-44环氧树脂的体积∶E-888固化剂的体积=100∶20。

优选所述玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶的制备方法如下：