/Al基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于A1基复合材料制备领域，具体涉及一种TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]A1基复合材料具有良好的塑性和韧性，再加之易加工、轻质、工程可靠性强及价格低廉等优点，可广泛用于航空航天和汽车等高技术领域，如制造汽车活塞、卫星结构件和空间机构结构件以及电子封装器件等。为了进一步改善其综合性能，尤其是高温力学性能，通过多相协同增强成为提高其性能的有利措施。在制备技术方面，原位自生技术具有明显的优势，因生成的增强相原位形核，颗粒细小，且增强相与基体界面结合良好，制品具有优良的力学性能，更高的耐磨性能和高温性能，成为研究的重点。
[0003]TiC与A1203粒子具有高熔点、高硬度等特性，加入后能够有效地提高A1基复合材料的强度，改善其抗疲劳、抗磨损和高温蠕变性能，成为A1基复合材料理想的增强相。国内佳木斯大学胡明等人(胡明，郑小红，张继堂，陈秋华，Al-Ti02-C体系MC法合成Al203-TiCP/Al基复合材料的动力学分析，材料科学与工程学报，2008,26(5): 770-774)利用Al-Ti02-C体系的原位反应制备了 Al203-TiC/Al复合材料。
[0004]TiAl3是具有优异抗高温氧化能力的高温稳定相，且具有高熔点、低密度、高比模量和高比强度等特性，是增强轻质金属材料(A1和Mg)的理想材料。山东大学王守仁(王守仁，TiAl3金属间化合物网络结构增强镁铝基复合材料研究，山东大学:博士学位论文，2007)采用TiAl3增强镁铝基复合材料。
[0005]近些年，一类MAX相(典型代表物为Ti3AlC2)备受关注，它们兼具金属和陶瓷的特性，譬如高韧性，高熔点，抗氧化性强，导电和导热性能好。将MAX相进行HF酸腐蚀处理，可获得类石墨稀结构的MXene，典型代表为MXene-Ti3C2(Ti3AlC2腐蚀产物)，MXene在锂离子电池、超级电容器、气体储存、催化剂、传感器或二维电子产品领域具有潜在的应用，成为目前研究的热门。在力学性能方面，MXene的力学强度要优于MAX，良好的导电性能，成为先进复合材料理想的增强相。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种TiCx-Al203_TiAl3/Al基复合材料的制备方法，该方法充分利用了类石墨烯结构Ti02/MXene-Ti3C2的优势，且制备工艺简单易行，烧结温度低，制备成本低，有望进一步提高A1基复合材料的综合性能。
[0007]本发明采用的技术方案:
[0008]一种TiCx-Al203_TiAl3/Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0009]1)首先将Ti3AlC2粉体在氩气保护气氛下高能球磨4_20h，得到粒径为10?30μπι的Ti3AlC2 粉体；
[0010]2)按照质量分数取步骤1)所得Ti3AlC2粉体10?50份，向其中加入100?300份HF溶液，反应12?48h，并辅以超声波技术分散，然后用去离子水离心清洗直至pH为5.5?7，再用无水乙醇清洗5?6次，最后将粉体干燥即得MXene-Ti3C2粉体；
[0011]3)将步骤2)所得MXene-Ti3C2粉体在空气气氛下，升温速率为5?10°C/min，升温至200?400°C进行低温热处理，保温2?8h，然后随炉自然冷却，即得Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体；
[0012]4)按照重量百分比将步骤3)所得Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体2?50?七％与50?98wt %的A1粉体混合，进行湿法球磨，以乙醇为球磨助剂，球磨30?90min，使粉体混合均匀，然后进行低温干燥处理；
[0013]5)将步骤4)干燥后的粉体装入石墨模具中，进行真空热压烧结固化，以5?10°C/min升温速率升温至600?950°C，保温0?60min，施加压力为10?30MPa，然后随炉自然冷却，即得TiCx-Al203_TiAl3/Al基复合材料。
[0014]进一步，所述高能球磨球磨机转速为500?1000r/min，球料比为6:1?10:1。
[0015]进一步，所述HF溶液浓度为30?50vol %。
[0016]进一步，所述超声波频率为20?60kHz。
[0017]进一步，所述湿法球磨球磨机转速为200?500r/min，球料比为3:1?5:1。
[0018]进一步，所述低温干燥处理温度为30?40°C。
[0019]相应地，依据上述方法制备的一种TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料，包括下述质量比的原料:
[0020]Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体 2?50wt% ;
[0021 ] A1 粉体50 ?98wt%;
[0022]所述Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体由质量分数为10?50份Ti3AlC2粉体和100?300份浓度为30?50vol %的HF溶液经酸腐蚀处理、超声分散、离心清洗、干燥、低温热处理、自然冷却制得。
[0023]进一步，所述Ti3AlC2粉体经HF酸腐蚀处理后，获得的1乂61^-113(:2粉体呈层状疏松体形貌。
[0024]进一步，所述MXene-Ti3C2粉体进行低温热处理，形成类石墨稀层状结构，在Ti3C2表面附着有Ti02粒子。
[0025]进一步，TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料的弯曲强度为533?620MPa，断裂韧性为
6?7MPa.m1/2o
[0026]相对于现有技术，本发明的有益效果为:
[0027]本发明提供了一种TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料及其制备方法，其弯曲强度可达620.33MPa，断裂韧性高达6.96MPa.m1/2，远高于一般的陶瓷增强A1基合金的强度和韧性。
[0028]本发明的优点在于，制备工艺简单可控，通过对MXene-Ti3(^^体进行低温热处理，形成了特殊的类石墨稀层状结构Ti3C2表面附着Ti02颗粒，再通过Ti02和A1反应形成TiAh和A1203，保证了基体相和增强相强的化学键连接，以及增强粒子的分散问题，特殊的类石墨烯结构Ti3C2还可显著改善A1基复合材料的综合性能，尤其是耐磨性能，可用于制造高性能汽车活塞、卫星结构件和空间机构结构件替代钛合金以及电子封装等热控器件。本发明完全不同于传统的利用Ti02-Al-C或Ti02-TiC-Al混合体系制备TiC-Al203_TiAl3/Al基复合材料，本发明使用的Ti02/MXene-Ti3(^lt体是一种复合粒子，Ti3C2完全不同于TiC，具有类石墨烯特殊结构，性能优异，Ti02依附于Ti3C2生长，因此表现出完全不同于Ti02或TiC颗粒的性质。截至目前，尚未发现有利用Ti02/MXene_Ti3C2和A1反应制备TiC-Al203_TiAl3/Al基复合材料的研究报道。
【附图说明】
[0029]图1为实施例1使用的Ti3AlC2粉体的XRD图谱和Ti3AlC2粉体经HF酸腐蚀后MXene-Ti3C2粉体的XRD图谱。
[0030]图2为实施例1使用的Ti3AlC2粉体经HF酸腐蚀后MXene-Ti3C2粉体的SEM照片。
[0031 ]图3为实施例1使用的MXene-Ti3(^^v体经热处理后的结构模型。
[0032]图4为实施例1制备的TiCx-Al203-TiAl3/Al基复合材料光学显微结构照片。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034]实施例1
[0035]步骤一、首先将Ti3AlC2粉体高能球磨6h，以氩气为保护气氛，转速为500r/min，球料比为6:1，得到粒径为15μπι的Ti3AlC2粉体，图1是Ti3AlC2粉体的XRD图谱，说明所得粉体的主要物相为Ti3AlC2，TiC杂相含量非常少；
[0036]步骤二、将步骤一所得Ti3AlC2粉体取20g放入烧杯内，加入150mL浓度为40vol %HF溶液反应24h，并辅以超声波技术分散，超声波频率为25kHz，然后用去离子水离心清洗直至pH在6，再用无水乙醇清洗5次，最后将粉体干燥，得到MXene-Ti3C2粉体，见图1粉体的XRD图谱，与理论计算的XRD图谱对比，说明成功得到了MXene-Ti3C2，图2 MXene-Ti3C2粉体的SEM照片显示了其微观形貌，形成了层状疏松体形貌特征；
[0037]步骤三、将步骤二所得MXene-Ti3C2粉体进行低温热处理，空气气氛，升温速率为10°C/min，处理温度为200°C，保温时间为8h，随炉自然冷却，即得Ti02/MXene-Ti3C2复合粉体，图3是MXene-Ti3C2粉体经热处理后的结构模型，层状113(:2表面附着Ti02粒子；
[0038]步骤四、将15wt%步骤三所得Ti02/MXene-Ti3C2