专利名称：三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的复合材料，具体涉及一种在陶瓷相增强体表面包覆三氧化二铋(Bi2O3)增强铝基复合材料。
背景技术：
近年来，陶瓷相增强金属，尤其是增强铝基复合材料正受到普遍重视。这种材料最诱人的特性是具有高强度、高模量和低热膨胀系数等优良的性质。关于陶瓷相增强铝基复合材料的潜在优越性已经受到很大的关注，而且有些复合材料已经应用在汽车、航空、天文以及普通工程领域内。虽然商业性应用正在出现，但是复合材料低塑性是一个致命的弱点，成为复合材料不能在室温下用常规的成型方法生产部件的一个难点，严重地制约了复合材料商业化的应用前景。而且绝大多数铝基复合材料部件由于本身的低塑性限制，只能通过热塑性加工成型。因此必须在远高于室温的条件下对复合材料进行热塑性变形加工。在中温下对复合材料进行塑性变形，基体没有软化，增强体的转动和基体的塑性变形不能相协调，会导致增强体损坏，严重地降低了复合材料的力学性能；如果在高温接近基体的液固相线进行复合材料的塑性变形，因为这时基体已经软化，甚至出现液相，增强体容易发生转动，损坏减少，但是由于变形温度靠近基体的液固相线，基体中的增强体分布不均匀，出现了“富集区”和“贫化区”，同样降低了材料的力学性能，而且由于变形温度太高还增加了复合材料的二次加工成本。
发明内容
本发明的目的是研制一种三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，它不仅可以降低复合材料的热塑性变形温度，减少复合材料热加工的成本，而且也能减少增强体在基体塑性变形过程中的损伤，热变形后复合材料仍有很好的力学性能。本发明的复合材料由三氧化二铋(Bi2O3)、陶瓷相增强体和铝基体三种成分组成，其中陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的5～50％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的2～20％。
陶瓷相增强体表面包覆三氧化二铋增强铝基复合材料和没有包覆三氧化二铋的铝基复合材料不同温度压缩变形最大变形抗力和抗力差值如图1所示。由图可见随变形温度的升高，两种材料变形抗力均下降，并且变形抗力差值随温度的升高先增大后减少。两种复合材料变形抗力差值在270℃以后有一个陡坡，变形温度高于270℃后，界面上的金属铋完全熔化，但基体还没有软化，界面上的液相在变形过程中起润滑和协调作用，导致两种复合材料的变形抗力差值突然增大；而在变形温度高于320℃以后，基体逐渐开始软化，对陶瓷相增强体转动的束缚能力变弱，这时虽然界面上微量的液相还起到一定的润滑作用，但是基体的软化起到了决定性的作用，陶瓷相增强体容易转动，所以导致二者的最大变形抗力的差值减少。两种复合材料在350℃变形后的扫描照片分别示于图2和图3中，比较两种材料的扫描照片，在同一温度下，没有含Bi2O3的复合材料陶瓷相增强体损坏情况要比含Bi2O3复合材料严重的多，而且陶瓷相增强体的平均粒径较小，有力的证明了在陶瓷相增强体和基体界面上的金属Bi降低了压缩变形最大流变应力，减少了陶瓷相增强体损坏的数量，提高了材料塑性成形能力。
本发明具有以下优点(1)在陶瓷相增强体表面包覆三氧化二铋能阻止增强体与基体里的元素发生界面反应；(2)三氧化二铋要与铝发生铝热反应，生成低熔点的金属铋，具体铝热反应方程式如下
低熔点的金属铋都分布在增强体和基体的界面上，这有助于陶瓷相增强铝基复合材料进行热塑性变形；(3)在高于金属铋的熔点温度270℃进行塑性变形，这时界面上的铋都变成了液体，在界面上起到润滑作用，和增强体表面没有包覆三氧化二铋的铝基复合材料相比，不但提高了复合材料的热塑性变形能力，而且还明显地降低了陶瓷相增强体的损伤，使这种铝基复合材料经热塑性变形后的力学性能不下降。
图1为陶瓷相增强体表面包覆三氧化二铋增强铝基复合材料和没有包覆三氧化二铋的铝基复合材料不同温度压缩变形最大变形抗力和抗力差值图，其中左坐标为两种复合材料最大流变应力—温度的关系，右坐标为与两种复合材料最大流变应力的差值—温度的关系；图2为增强体表面包覆三氧化二铋(Bi2O3)增强铝基复合材料经过热变形后的表面形貌图；图3为没有包覆三氧化二铋(Bi2O3)的铝基复合材料经过热变形后的表面形貌图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的复合材料由三氧化二铋(Bi2O3)、陶瓷相增强体和铝基体三种成分组成，其中陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的5～50％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的2～20％，首先是在陶瓷相增强体表面包覆三氧化二铋；然后用表面包覆三氧化二铋陶瓷相和铝或铝合金来制备复合材料。该种表面包覆三氧化二铋陶瓷相增强铝基复合材料在高于金属铋熔点270℃进行热塑性变形，不仅可以降低复合材料的热变形温度和加工成本，而且还明显地降低了陶瓷相增强体的损伤，使这种铝基复合材料经热塑性变形后的力学性能不下降。所述陶瓷相增强体为短纤维、颗粒、晶须中的一种或几种的混合物，其中短纤维为Al2O3、SiC、B2O3、TiN中的一种或几种的混合，颗粒为Al2O3、SiC、Al18B4O33、Si3N4、AlN、B4C、TiC中的一种或几种的混合，晶须为SiC、AlN、9Al2O3·2B2O3(Al18B4O33)、Si3N4、2MgO·B2O3(Mg2B3O5)中的一种或几种的混合；铝基体为纯铝或铝合金。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是，陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的8％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的5％。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一、二不同的是，陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的15％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的10％。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一、二、三不同的是，陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的20％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的8％。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一、二、三、四不同的是，陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的25％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的14％。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一、二、三、四、五不同的是，陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的40％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的18％。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一、二、三、四、五、六不同的是，陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的32％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的16％。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一、二、三、四、五、六、七不同的是，陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的12％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的10％。
权利要求
1.三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于它由三氧化二铋(Bi2O3)、陶瓷相增强体和铝基体三种成分组成，其中陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的5～50％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的2～20％。
2.根据权利要求1所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于所述铝基体为纯铝或铝合金。
3.根据权利要求1所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于所述陶瓷相增强体为短纤维、颗粒、晶须中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求3所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于所述短纤维为Al2O3、SiC、B2O3、TiN中的一种或几种的混合。
5.根据权利要求3所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于所述颗粒为Al2O3、SiC、Al18B4O33、Si3N4、AlN、B4C、TiC中的一种或几种的混合。
6.根据权利要求3所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于所述晶须为SiC、AlN、9Al2O3·2B2O3(Al18B4O33)、Si3N4、2MgO·B2O3(Mg2B3O5)中的一种或几种的混合。
7.根据权利要求1所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的8％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的5％。
8.根据权利要求1所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的15％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的10％。
9.根据权利要求1所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的25％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的14％。
10.根据权利要求1所述的三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，其特征在于陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的40％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的18％。
全文摘要
三氧化二铋包覆陶瓷相增强铝基复合材料，它涉及一种新型的复合材料。本发明的铝基复合材料由三氧化二铋、陶瓷相增强体和铝基体三种成分组成，其中陶瓷相增强体的体积分数占总体积分数的5～50％，三氧化二铋的加入量占陶瓷相增强体质量的2～20％。包覆物三氧化二铋基本都在增强体和基体的界面处，并且三氧化二铋和基体铝发生铝热反应，生成低熔点金属铋都分布在增强体和基体的界面处。在复合材料热变形时，温度高于金属铋的熔点270℃，界面处的低熔点金属铋熔化变成液体，在增强体和基体之间起到润滑作用，降低了变形温度和加工成本，减少了陶瓷相增强体的损伤，变形后的复合材料仍有优良的力学性能。
文档编号C22C21/00GK1648270SQ20051000968
公开日2005年8月3日 申请日期2005年1月31日 优先权日2005年1月31日
发明者费维栋, 李志军, 王黎东 申请人:哈尔滨工业大学