[发明专利]一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，包括变形铝合金层和铝基复合材料层，所述铝基复合材料层以析出强化类铝合金为基体，以碳化硼为增强相，所述铝基复合材料层有多层，每层铝基复合材料层中碳化硼的含量不同，且碳化硼的含量梯度增加，每层碳化硼的含量低于对应铝基复合材料层质量的20％。本发明还包括一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的制备方法。本发明采用电场辅助烧结技术，利用直流脉冲电流的加压烧结方法，可实现低温快速烧结，获得细小、均匀的组织；烧结体致密度较高，力学性能较好。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

铝基复合材料具有低密度、高比强度、高弹性模量、低热膨胀系数和高热导率等优良特性，从而引起广大科研工作者的研究兴趣，被广泛应用于航空航天、交通运输以及电子光学等领域。但是在科技和经济快速发展的21世纪，航空航天和汽车工业等领域工况条件愈加恶劣，对材料提出了更大的要求，如耐高温、耐腐蚀及优异的强韧性。传统的均质铝基复合材料强度和塑性都较低，在实际应用中受到了一定的限制。

近年来层状功能梯度铝基复合材料引起了越来越多研究者的广泛关注，功能梯度材料是指组分、结构、性能等沿厚度方向呈连续梯度变化，从而使材料性质和功能也呈梯度变化，能满足更多复杂工况条件的要求，实现某一特殊功能的新型复合材料，因此，它能有效克服传统材料的不足。同时，功能梯度复合材料还可以有针对性地设计各层材料的组分及含量，以此来使内应力更好地分布，因此在梯度防护方面发挥了重要的作用，比如将其用作核反应第一层壁及其周边材料。

目前，功能梯度铝基复合材料常见的制备方法主要分为固态制造技术和液态制造技术，具体包括搅拌铸造法、挤压铸造法、真空压力浸渗、粉末冶金法和共喷射沉积等。搅拌铸造法制备的材料致密度低，存在一定的铸造缺陷；挤压铸造法对生产设备和模具的要求高，但生产周期短、效率高，制备的材料致密度较高；真空压力浸渗法适用范围广，工艺简单，但同样对设备的要求较高；共喷射沉积法对增强颗粒的含量及尺寸不受限制，可有效避免界面反应的发生，但成本过高；粉末冶金法对设备要求较低，可任意改变增强相的加入量，但采用传统粉末冶金方法制备的材料致密度较低，性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种采用电场辅助烧结技术，利用直流脉冲电流的加压烧结方法，可实现低温快速烧结，获得细小、均匀的组织；烧结体致密度较高，力学性能较好的具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法。

本发明的实施例提供一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，包括变形铝合金层和铝基复合材料层，所述铝基复合材料层以析出强化类铝合金为基体，以碳化硼为增强相，所述铝基复合材料层有多层，每层铝基复合材料层中碳化硼的含量不同，且碳化硼的含量梯度增加，每层碳化硼的含量低于对应铝基复合材料层质量的20％。

进一步，所述铝基复合材料层有两层，分别为第一铝基复合材料层和第二铝基复合材料层，所述第二铝基复合材料层中碳化硼的含量高于第一铝基复合材料层中碳化硼的含量，所述第一铝基复合材料层在第二铝基复合材料层和变形铝合金层之间，所述变形铝合金层、第一铝基复合材料层和第二铝基复合材料层的厚度比例为1:1:1、2:1:1、2:2:1或3:2:1。

进一步，所述析出强化类铝合金为2024铝合金，颗粒尺寸为100目～300目。

进一步，所述碳化硼的纯度≥99％，颗粒尺寸为0.5μm～10μm。

一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.设计梯度结构，并根据梯度结构称取各铝基复合材料层所需的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末，以及变形铝合金层所需要的变形铝合金粉末；