[发明专利]高硬度高耐磨纳米金刚石强化铝基复合材料涂覆涂层的制备方法

说明书

本发明公开高硬度高耐磨纳米金刚石强化铝基复合材料涂覆涂层的制备方法，属于铝基复合材料技术领域，所述复合材料按重量百分比计各化学成分：纯铝或铝合金：98.5～99.5％，纳米金刚石：0.5‑1.5％。本发明的复合材料制备方法包括两个部分，一是复合材料热挤出型材的制备：主要是通过热压、烧结和热挤出一次成形，在高温高压条件下制备获得致密的复合材料。二是复合材料摩擦搅拌涂覆制备高硬度高耐磨性的涂层，该涂覆方法具有涂层与基体结合力强，纳米金刚石增强体分散均匀，涂层材料晶粒细小均匀，硬度高，耐磨性好的特点。

技术领域

本发明属于材料科学与工程技术领域，具体是涉及金刚石强化铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

相对于一维的碳纳米管、二维的石墨烯，零维的纳米金刚石(ND)具有独特的sp2@sp3壳核结构，其芯部为类似于金刚石的坚硬的sp3杂化碳结构，外壳包裹着一层类似于富勒烯的sp2杂化碳和各种官能团。这种独特的结构赋予了ND卓越的性能，包括非常高的硬度、优良的导热性、很高的耐磨性和化学稳定性等。金刚石优越的性能，加上非常细小的尺寸(2-10nm)和独特的表面结构，使ND成为增强金属基复合材料的理想增强体。最近，一些研究报道，ND具有极高的增强效率，具备解决复合材料强度和延展性此消彼长的很大潜力，在提升复合材料硬度和摩擦学性能方面具有很大的优势。但这些研究针对铝的不多，而且，所用的制备方法工艺复杂，对设备的要求很高，制备成本高，不具有大批量生产的条件。制备纳米金刚石增强铝基复合材料最大的难点有两个，一是脱聚分散难。纳米金刚石具有极高的表面能和复杂的悬键，使之非常容易团聚，团聚体尺寸通常在50–500nm之间，团聚体小于100nm后就更难脱聚。由于纳米金刚石容易团聚使他很难均匀分散到复合材料中，导致材料微观结构不均匀，从而恶化了材料性能。而且，复合材料中的团聚体受力时容易产生微裂纹，容易使材料过早失效。二是容易与铝发生有害反应生成有害的Al₄C₃相。Al₄C₃容易吸水裂解，使材料失效。铝与纳米金刚石的反应温度在550℃左右，而铝的熔点在660℃左右，因此，纳米金刚石增强铝基复合材料很难通过更加便捷和经济的液态加工方式(如搅拌铸造)来加工。为此，本发明使用了粉末冶金+摩擦搅拌涂覆的工艺方法获得高硬度高耐磨的纳米金刚石增强铝基复合材料。

粉末冶金是制备复合材料的常用的经济环保的成熟的工艺方法。而常规的粉末冶金烧结需要在真空环境下进行，不仅制造成本高，而且很难进行高压压缩，通常的压力在150MPa以下。由于纲米金刚石强化铝基复合材料需要在550℃以下(铝的熔点660℃)进行，此时铝粉未熔化，嵌入铝颗粒表层或吸附在铝颗粒表面的纳米金刚石容易阻隔铝颗粒之间的结合，因此需要很高的压力才能获得致密的结构。常规烧结设备和烧结工艺不适合。热挤出是获得型材的常用的经济环保的材料制备方法，常用于铝、镁等轻金属型材的制备。通过热挤出，复合材料不仅可获得所需的的形状和尺寸，而且还可以增加材料的结合力，消除微孔，提高强化相分散均匀性，提高材料综合性能。但实验表明，通过热挤出获得的复合材料，纳米金刚石有的区域含量高，有的区域含量低，分散不均匀导致材料的微观结构不均匀，机械性能不理想。

因此，本发明在热挤出制备初级材料的基础上，通过剧烈塑性变形工艺，摩擦搅拌涂覆，将复合材料涂覆到基板上的同时，再次分散纳米金刚石。