[发明专利]一种纤维增强气凝胶-金属复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备方法，特别涉及利用纤维增强气凝胶-金属基复合材料。

背景技术

现代高技术的发展对材料性能的要求日益提高，单一材料已很难满足对性能的综合要求，材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。

陶瓷具有优异的耐高温性能，如高温压缩强度大、弹性模量高、耐蠕变、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等，但其致命缺点是脆性大，表现在抗机械冲击和热冲击性都很低，故在高温领域中作为结构材料受到很大限制。

由陶瓷颗粒、短纤维、晶须增强的金属基复合材料(MMC)综合了金属的塑韧性、成型性、导电、导热性，以及增强相陶瓷材料的高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温等性能，制备的金属基复合材料具有高比强度、比模量；导热、导电性能；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；良好的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂性能等优点，在诸如摩擦磨损类材料、航空航天结构件、耐高温结构件、汽车构件、抗弹防护材料等领域有广阔的应用前景。

网状结构陶瓷增强金属基复合材料是用铸造方法在预制的多孔陶瓷中浇铸金属而成的一类复合材料，其基本特征是基体与增强体在整个材料中形成各自的三维空间连续的网络结构并且互相缠绕在一起，相对于纤维增强材料，其在整体结构上具有各向同性的特点，而相对于颗粒或晶须增强材料，它又有相互连续的特点，这种结构形式使该类材料具有独特的性能，具有较好的发展和应用前景。

气凝胶，是一种新型无机纳米多孔材料，按成分可分为二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化钛气凝胶等金属氧化物气凝胶以及有机气凝胶、碳气凝胶等。气凝胶以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，平均孔洞尺寸为20~50nm，密度可低达0.003g/cm³，气孔隙率高达80～99.8％，比表面积可达1000m²/g，耐热温度可达1300~1800℃，室温导热系数可低达0.013w/(m·k)，是迄今为止最轻的固体和绝热性能最好的材料，在热学、声学、力学、光学、电学、化学等领域有广泛的应用前景。以气凝胶的纳米三维孔洞代替多孔陶瓷的微米乃至毫米级的大孔与金属复合，将获得一种崭新的金属基复合材料。

为此，本发明提出一种纤维增强气凝胶-金属复合材料及制备方法。

发明内容

本发明公布了一种纤维增强气凝胶-金属复合材料，所述复合材料以纤维增强的气凝胶为强化材料，以金属为基体，气凝胶的三维纳米孔洞结构中填充有金属，形成金属与气凝胶三维网络交织的复合材料。

所述的纤维增强气凝胶，包括气凝胶布、气凝胶纸、气凝胶毡、气凝胶板和气凝胶异形件中一种或几种。

所述的气凝胶，密度为3~600kg/m³，平均孔径为2~100nm，孔隙率为50%~99%。

所述的气凝胶包括氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化钛气凝胶、氧化镁气凝胶、氧化铜气凝胶、氧化铁气凝胶、氧化钴气凝胶、氧化镍气凝胶、氧化锰气凝胶、氧化锌气凝胶、氧化锡气凝胶、氧化镉气凝胶、氧化铬气凝胶、氧化铌气凝胶、氧化钽气凝胶、氧化铈气凝胶、氧化钒气凝胶、氧化钼气凝胶、氧化钨气凝胶、氧化铪气凝胶、氧化钍气凝胶、氧化铍气凝胶、氧化钇气凝胶、氧化钪气凝胶、氧化铈气凝胶、氧化锶气凝胶、氧化铟气凝胶、氧化镓气凝胶、氧化铋气凝胶、氧化镧气凝胶、氧化镱气凝胶、氧化铕气凝胶、氧化钕气凝胶、氧化铽气凝胶、氧化镨气凝胶、氧化钐气凝胶碳化硅气凝胶、氮化硅气凝胶、碳气凝胶、石墨烯气凝胶中一种或几种。

所述的纤维，其组分包括石英纤维、高硅氧纤维、氧化铝纤维、硅酸铝纤维、莫来石纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维、氮化钛纤维、硼纤维、碳纤维、碳纳米管、钨丝、钼丝、钍丝中一种或几种。

所述的纤维，其形态包括晶须、短切纤维、连续纤维、纤维单向布、二维纤维编织布、三维纤维编织布、纤维非织造布、纤维毡、纤维板、纤维蜂窝板、纤维异形件中一种或几种。

所述的金属包括铝、铜、镁、钛、、锌、锡、铁、银、镍、铍、钴、铅、铬、钨、钼、钽、铌、铈、锆中一种或几种，及上述金属对应的合金。

本发明还公开了一种纤维增强气凝胶-金属复合材料的制备方法，制备过程包括以下步骤：

(1) 铺设纤维增强气凝胶；

(2) 将熔融金属浸渗到纤维增强气凝胶；

(3) 冷却固化后形成复合材料。