[发明专利]一种晶内分布增强体的复合材料粉末及其制备和成形方法

说明书

本发明公开了一种晶内分布增强体的复合材料粉末及其制备和成形方法，复合材料粉末包括金属基体粉末和增强体，其中金属基体粉末能够通过球磨过程形变为片状粉末，且增强体为纳米一维、二维增强体；通过高能球磨法控制金属基体粉末的变形过程，在球磨过程中通过粉末形貌进行粉末变形状态的判断，当粉末为片状状态时，增强体逐渐进入晶粒内部，从而获得晶内分布增强体的复合材料粉末，以晶内分布碳纳米管增强铝基复合材料粉末为例，本发明制备的晶内分散CNTs/Al复合材料粉末的氧含量为0.70％，晶内分散CNTs均匀，无明显团聚，且所得晶内分散CNTs/Al复合材料强度相比晶界分散CNTs/Al复合材料提升5.7％，延伸率提升36.4％。

技术领域

本发明属于粉末冶金法制备碳纳米管铝基复合材料技术领域，尤其涉及一种晶内分布增强体的复合材料粉末及其制备和成形方法。

背景技术

金属基复合材料由于具有金属基体的塑性、导电导热性能、比强度、耐腐蚀等特性，同时兼具增强体的低密度、超高强度和模量、优异导电导热性能，成为了国内外新材料的研究热之一。其中，粉末冶金法是制备金属基复合材料的重要方法之一，原于其成形温度低于材料熔点，容易控制复合材料中增强体与基体的界面结合状态，同时由于粉末未熔化，该成形过程可以有效的保留粉末中增强体的分散状态，有利于设计调控复合材料的组织结构及界面状态，从而获得理想的力学性能、导电导热、抗腐蚀性能。但目前制备复合材料粉末的方法所获得的复合材料性能提升有限，这是因为复合材料增强体的含量难以增加，高含量增强体容易存在团聚、缠结等现象，导致这些团簇区域与基体界面结合差，易出现裂纹孔洞等缺陷，从而大大降低复合材料的性能。因此在现有制备复合材料粉末的基础上需要解决增强体分散、提高界面结合的问题。目前采用球磨方法制备复合材料粉末的方法成本低、效率高、制备过程易控制，但基本制备出的复合材料粉末增强体分散在晶粒边界处，难以利用晶粒内部的空间，此外，位于晶粒的边界处的增强体不利于塑性变形过程中的韧性提升。如何分散增强体到晶粒内部，利用其广阔的空间，提升增强体含量及均匀分散程度，是目前制备复合材料粉末的关键难题。

铝(Al)及其合金由于高比强度、高导热、耐腐蚀等优点被广泛的应用于航空航天、兵器武装、交通运输等国家重要领域，例如飞行器主结构、蒙皮、制动器缸体等部位。但随着服役条件要求的不断提升，传统铝合金材料难以满足更高的性能要求。以铝基复合材料为代表的金属基复合材料因其具有良好的综合力学性能，导电导热性能，得到了国内外的广泛关注。

碳纳米管(CNTs)具备低密度、超高的强度和模量、优异的导电导热性能，将其作为增强体制备铝基复合材料，有望成为下一代轻质高强结构材料。为进一步提升碳纳米管增强铝基复合材料性能，高CNTs含量的分散成为需要攻克的难题之一。这是由于CNTs具有大长径比、超高比表面积，高含量的CNTs易在范德华力的作用下形成团聚，这些CNTs团聚区域易出现孔洞缝隙，引起组织不均匀并降低CNTs与Al基体的界面结合，降低与CNTs相关的载荷传递及奥罗万增强机制，从而抑制CNTs/Al复合材料的综合力学性能、导电导热性能的提升。

目前制备CNTs/Al基复合材料的方法主要为粉末冶金法，因成形温度低于粉末熔点、可以有效的降低CNTs与Al基体之间的反应，同时可以很好的保留粉末状态的结构。采用高能球磨法制备CNTs/Al基复合材料粉末，可以有效提高CNTs分散效率、获得良好的CNTs与Al粉结合效果。在制备复合材料粉末过程中，将CNTs分散至Al晶粒内部，不仅避免其在晶界处引起的性能恶化、而且利用广阔的晶内空间提升了CNTs的分散含量，因此，制备均匀分散、高含量CNTs的Al基复合材料粉末成为了制备高性能CNTs/Al基复合材料的关键。