[发明专利]一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法

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制备方法，包括：以负膨胀材料粉体和金属基体粉末为原料，将两者混合后得到混合粉末，再将混合粉末放入模具中真空热压烧结，烧结温度为300‑600℃，烧结压力为300‑500MPa，保压时间5‑30min，得到近零膨胀金属基复合材料；负膨胀材料选用Mn₃(Mn_xZn_ySn_z)N，其中，x+y+z＝1；金属基体选用铝、镁或钛中任一种。本发明可以制备出轻质致密近零膨胀金属基复合材料，制备工艺简单，可操作性强、材料的致密度高、热膨胀系数可达0ppm/K。

技术领域

本发明涉及一种轻质近零膨胀复合材料，具体地说，涉及一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法。

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。

经检索发现，申请号为201510997600.4的中国专利，公开了一种Mn₃(Zn_xGe_1-x)N/Mn₂N 复合材料，通过调整其中x的值，实现复合材料的平均线热膨胀系数在较宽的温度区间 内，可正，可负或者近零。其制备方法如下：(1)称取纯度为99.9％的锰粉，然后将其 放入管式炉中，在流动的高纯(99.99％)氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率升温至 800℃，保温25小时，随炉冷却，合成Mn₂N；(2)称取过量Mn₂N，同时按照化学计量比 称量Zn粉和Ge粉，混合均匀，在玛瑙研钵中研磨30分钟；(3)将粉末样品均匀倒入小 瓷舟中，再将小瓷舟放入石英管中并同时抽真空至10^-5Pa，然后密封石英管；(4)将石英 管放进管式炉中，升温至850℃，保温25小时，冷却至室温，关闭电源，随炉冷却至室 温，即得到目标产物Mn₃(Zn_xGe_1-x)N/Mn₂N。但上述专利存在以下不足：该专利是以陶瓷为 基体，由于陶瓷具有导电性较差、脆性大、耐冲击能力低等本质缺陷，使其应用范围大 大受限；其次，该专利的制备过程中由于没有加压烧结，得到的最终产物致密性较差， 粉末样品烧结体内部结构较为松散，力学性能较差。

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 全部使用树脂做为基体。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

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法。

根据本发明提供一种轻质致密近零膨胀金属基复合材料的制备方法，包括：