[发明专利]轻质致密近零膨胀金属基复合材料的膨胀系数的调控方法

说明书

本发明提供了一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的膨胀系数的调控方法，包括：以负膨胀材料Mn₃(Mn_xZn_ySn_z)N粉体和金属基体粉体为原料，金属基体选用纯铝、纯铜、铝合金、镁合金、钛合金、铜合金中任一种；将负膨胀材料Mn₃(Mn_xZn_ySn_z)N粉体与所述金属基体粉体混合后得到混合粉体；调节负膨胀材料粉体和金属基体粉体的比例，和/或调节负膨胀材料Mn₃(Mn_xZn_ySn_z)N粉体的粒径大小，得到轻质致密近零膨胀金属基复合材料；其中：负膨胀材料粉体占金属基复合材料总体积的1‑50％，金属基体粉体占金属基复合材料总体积的99％‑50％；负膨胀材料Mn₃(Mn_xZn_ySn_z)N粉体的粒径在小于150μm内调节。本发明通过调节负膨胀材料Mn₃(Mn_xZn_ySn_z)N粉体的粒径以及含量，从而实现各种金属基复合材料热膨胀系数(包含零膨胀)的调控。

技术领域

本发明涉及轻质近零膨胀复合材料，具体地，涉及一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的膨胀系数的调控方法。

背景技术

自然界中绝大多数材料都表现出“热胀冷缩”的现象。材料的这一特性在给人类提供诸多便捷的同时，也给现代生活带来很多困扰，主要在于热胀冷缩会使材料内部产生热应力，甚至导致材料产生裂纹而失效。材料体积随温度的变化而变化的性质，也会对精密零部件的精确度产生很大影响。例如，对于望远镜、激光设备、光纤通讯等精密光学设备的精确光聚焦与光路准直，由热膨胀引起的零部件尺寸的“失之毫厘”，可能会导致测试结果的“谬之千里”。

负热膨胀材料由于具有热缩冷胀这一特殊性能，自上世纪50年代发现后，受到国际上广泛关注。这一反常的热膨胀行为，使负热膨胀材料有许多潜在的应用价值。负热膨胀材料用于减小或者消除温度对零部件或者结构件的影响，减小或消除热膨胀导致的内应力破坏，提高设备的综合性能、使用精度，延长使用寿命。这对航空航天、电子元件、光学器件、精密仪器等领域具有重要的意义。

金属由于具有优良的热学性质和力学性质，是结构设计、机械系统和电子封装中广泛应用的材料。金属是正热膨胀材料，将金属和负膨胀材料(增强体)有效复合，就可以得到既具有金属优异性能且近零膨胀的金属基复合材料。

通常调节复合材料的热膨胀系数的方法主要是改变负热膨胀材料的种类、含量以及制备工艺参数来实现近零膨胀金属基复合材料的膨胀系数。

经检索发现，申请号为201611041751.3的中国专利，公开了一种热膨胀可调的复合材料的制备方法，该方法中包括了热膨胀可调的复合材料，热膨胀系数和导热系数可以通过负热膨胀材料Al₂(WO₄)₃在复合材料中的体积含量进行调控。但是上述专利存在以下不足：专利201611041751.3无法实现大范围热膨胀系数的调节，很难制备出零膨胀的复合材料，且专利201611041751.3无法改变低热膨胀系数出现的温度区间。对于实际工程应用，更期待着其服役温度范围内热膨胀系数的调整，且希望其热膨胀系数约接近于零越好。这是上述专利无法实现的，而本专利通多对负膨胀体系的选择可以实现不同温度区间的热膨胀系数的调节，并且可以通过改变负膨胀材料的粒径分布、含量以及制备工艺去调节复合材料的热膨胀系数，实现零膨胀的目的。

目前国内关于近零膨胀复合材料的研究还处于起步阶段，且其近零膨胀材料的研究使用树脂做为基体。树脂基复合材料由于其材料本身特性，具有材料脆、易老化、不耐温、易损伤等缺点，使其应用范围大大受限。而兼具轻质、近零膨胀特性以及金属性能的金属基复合材料的研究，国内国外没有相关报道。

发明内容