一種纖維增強氣凝膠-金屬復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種纖維增強氣凝膠-金屬復合材料及制備方法。所述纖維增強氣凝膠-金屬復合材料，以纖維增強的氣凝膠為強化材料，以金屬為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有金屬，形成金屬與氣凝膠納米尺度三維網絡交織的復合材料。本發明專利技術可以提升金屬基復合材料的耐高溫性、耐磨性、抗壓性、抗沖擊性、抗折性、防腐性等。本發明專利技術工藝過程簡單易行，有利于工業化大生產，可促進傳統金屬基復合材料產業的升級，產品在國防軍工、航天航空、高速列車、輪船艦艇、汽車等領域有重要應用價值。

【技術實現步驟摘要】
一種纖維增強氣凝膠-金屬復合材料及其制備方法
本專利技術涉及金屬基復合材料的制備方法，特別涉及利用纖維增強氣凝膠-金屬基復合材料。
技術介紹
現代高技術的發展對材料性能的要求日益提高，單一材料已很難滿足對性能的綜合要求，材料的復合化是材料發展的必然趨勢之一。陶瓷具有優異的耐高溫性能，如高溫壓縮強度大、彈性模量高、耐蠕變、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損等，但其致命缺點是脆性大，表現在抗機械沖擊和熱沖擊性都很低，故在高溫領域中作為結構材料受到很大限制。由陶瓷顆粒、短纖維、晶須增強的金屬基復合材料(MMC)綜合了金屬的塑韌性、成型性、導電、導熱性，以及增強相陶瓷材料的高強度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫等性能，制備的金屬基復合材料具有高比強度、比模量；導熱、導電性能；熱膨脹系數小、尺寸穩定性好；良好的高溫性能；耐磨性好；良好的疲勞性能和斷裂性能等優點，在諸如摩擦磨損類材料、航空航天結構件、耐高溫結構件、汽車構件、抗彈防護材料等領域有廣闊的應用前景。網狀結構陶瓷增強金屬基復合材料是用鑄造方法在預制的多孔陶瓷中澆鑄金屬而成的一類復合材料，其基本特征是基體與增強體在整個材料中形成各自的三維空間連續的網絡結構并且互相纏繞在一起，相對于纖維增強材料，其在整體結構上具有各向同性的特點，而相對于顆粒或晶須增強材料，它又有相互連續的特點，這種結構形式使該類材料具有獨特的性能，具有較好的發展和應用前景。氣凝膠，是一種新型無機納米多孔材料，按成分可分為二氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠、氧化鈦氣凝膠等金屬氧化物氣凝膠以及有機氣凝膠、碳氣凝膠等。氣凝膠以納米量級超微顆粒相互聚集構成納米多孔網絡結構，平均孔洞尺寸為20~50nm，密度可低達0.003g/cm3，氣孔隙率高達80～99.8％，比表面積可達1000m2/g，耐熱溫度可達1300~1800℃，室溫導熱系數可低達0.013w/(m·k)，是迄今為止最輕的固體和絕熱性能最好的材料，在熱學、聲學、力學、光學、電學、化學等領域有廣泛的應用前景。以氣凝膠的納米三維孔洞代替多孔陶瓷的微米乃至毫米級的大孔與金屬復合，將獲得一種嶄新的金屬基復合材料。為此，本專利技術提出一種纖維增強氣凝膠-金屬復合材料及制備方法。
技術實現思路
本專利技術公布了一種纖維增強氣凝膠-金屬復合材料，所述復合材料以纖維增強的氣凝膠為強化材料，以金屬為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有金屬，形成金屬與氣凝膠三維網絡交織的復合材料。所述的纖維增強氣凝膠，包括氣凝膠布、氣凝膠紙、氣凝膠氈、氣凝膠板和氣凝膠異形件中一種或幾種。所述的氣凝膠，密度為3~600kg/m3，平均孔徑為2~100nm，孔隙率為50%~99%。所述的氣凝膠包括氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠、氧化鈦氣凝膠、氧化鎂氣凝膠、氧化銅氣凝膠、氧化鐵氣凝膠、氧化鈷氣凝膠、氧化鎳氣凝膠、氧化錳氣凝膠、氧化鋅氣凝膠、氧化錫氣凝膠、氧化鎘氣凝膠、氧化鉻氣凝膠、氧化鈮氣凝膠、氧化鉭氣凝膠、氧化鈰氣凝膠、氧化釩氣凝膠、氧化鉬氣凝膠、氧化鎢氣凝膠、氧化鉿氣凝膠、氧化釷氣凝膠、氧化鈹氣凝膠、氧化釔氣凝膠、氧化鈧氣凝膠、氧化鈰氣凝膠、氧化鍶氣凝膠、氧化銦氣凝膠、氧化鎵氣凝膠、氧化鉍氣凝膠、氧化鑭氣凝膠、氧化鐿氣凝膠、氧化銪氣凝膠、氧化釹氣凝膠、氧化鋱氣凝膠、氧化鐠氣凝膠、氧化釤氣凝膠碳化硅氣凝膠、氮化硅氣凝膠、碳氣凝膠、石墨烯氣凝膠中一種或幾種。所述的纖維，其組分包括石英纖維、高硅氧纖維、氧化鋁纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、碳化硅纖維、碳化硼纖維、氮化硅纖維、氮化硼纖維、氮化鈦纖維、硼纖維、碳纖維、碳納米管、鎢絲、鉬絲、釷絲中一種或幾種。所述的纖維，其形態包括晶須、短切纖維、連續纖維、纖維單向布、二維纖維編織布、三維纖維編織布、纖維非織造布、纖維氈、纖維板、纖維蜂窩板、纖維異形件中一種或幾種。所述的金屬包括鋁、銅、鎂、鈦、、鋅、錫、鐵、銀、鎳、鈹、鈷、鉛、鉻、鎢、鉬、鉭、鈮、鈰、鋯中一種或幾種，及上述金屬對應的合金。本專利技術還公開了一種纖維增強氣凝膠-金屬復合材料的制備方法，制備過程包括以下步驟：(1)鋪設纖維增強氣凝膠；(2)將熔融金屬浸滲到纖維增強氣凝膠；(3)冷卻固化后形成復合材料。所述復合材料的制備方法，步驟（2）所述的將熔融金屬浸滲到纖維增強氣凝膠，浸滲工藝包括擠壓浸滲法、氣壓浸滲法、無壓浸滲法、真空壓力浸滲法和真空浸滲法中一種或幾種。所述復合材料的制備方法，可采取溶劑浸滲、超聲浸滲和電磁浸滲中的一種或幾種來改善金屬液與纖維增強氣凝膠的浸潤。所述復合材料的制備方法，為改善金屬液與纖維增強氣凝膠的浸潤性，可在金屬液中加入浸潤劑，或將高能超聲引入到增強體與液態金屬的混合熔體中。本專利技術涉及的纖維增強氣凝膠-金屬復合材料，以纖維增強氣凝膠材料為強化材料，以金屬為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有金屬，形成金屬與氣凝膠納米尺度三維網絡交織的復合材料，旨在提高原有纖維增強金屬基復合材料的耐高溫性、耐磨性、抗壓性、抗沖擊性、抗折性、防腐性等。氣凝膠以納米量級超微顆粒相互聚集構成整體均一的納米多孔三維網絡結構，平均孔洞尺寸為20~50nm，比表面積可達1000g/m2，由于納米材料表面嚴重的配位不足，表現出極強的活性，氣凝膠很容易和金屬分子發生鍵合作用，提高了分子間的鍵力。同時氣凝膠內的三維網絡結構通道與金屬材料形成網絡狀的相互交聯包裹，優化了金屬的微觀排列結構，使得復合材料具有更好的抗壓、抗拉強度和韌性。氣凝膠骨架孔洞中滲入金屬形成三維網絡復合材料，其金屬相和氣凝膠相均為連續分布，與顆粒增強相的彌散分布顯著不同。其中氣凝膠骨架為三維連通網狀結構，它自身不但能傳遞載荷，還可以承受載荷，這是任何彌散增強體所不具備的(彌散增強復合材料中的增強體只能傳遞載荷而不能承載)。因此在這種氣凝膠一金屬復合材料中，金屬相會由于氣凝膠骨架的剛性承載作用而得到增強，可以顯著提高材料的強度和彈性模量；另一方面，氣凝膠骨架因為金屬相所具有的韌性而得到增韌，因此兩者相互依托，相互補強。因氣凝膠的密度直接影響氣凝膠的孔徑和孔隙率，通過選用不同密度氣凝膠材料，就可以獲得不用孔隙率和孔徑的氣凝膠材料，從而調控金屬與氣凝膠復合質量比和體積比，進而獲得不同要求的復合材料。此外，氣凝膠固有的一些特性還將顯著提升金屬復合材料性能。如氣凝膠納米粒子的高強度和小尺寸效應，與金屬復合后表現出了更高的耐磨性。氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠等可以承受1800度的高溫，故而氣凝膠-金屬復合材料的耐熱性可以顯著提升。碳氣凝膠和石墨烯氣凝膠具有良好的導電性，可以提一步改善金屬復合材料的導電性。采用金屬液態浸滲工藝能夠實現制備組織致密、性能良好的復合材料，是一種比較經濟的復合方法。但增強體如碳纖維、碳化硅氣凝膠等與基體合金如鎂、鋁之間的不潤濕性，以及二者之間往往存在的物理性能和化學性能及機械性能方面的不相容性都容易造成復合材料制備的難度。因此，改善復合材料的增強體和基體之間的潤濕性和相容性，改善復合材料的界面結構和界面性質是金屬液態浸滲制備金屬基復合材料的重要課題。本專利技術中引入溶劑浸滲、超聲浸滲和電磁浸滲，可有效改善了金屬液與纖維增強氣凝膠的浸潤性。有益效果：與現有技術相比，本專利技術制備的纖維增強氣凝膠-金屬復合材料具有以下顯著本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種纖維增強氣凝膠?金屬復合材料，其特征是，所述復合材料以纖維增強的氣凝膠為強化材料，以金屬為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有金屬，形成金屬與氣凝膠三維網絡交織的復合材料。

【技術特征摘要】
1.一種纖維增強氣凝膠-金屬復合材料，其特征是，所述復合材料以纖維增強的氣凝膠為強化材料，以金屬為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有金屬，形成金屬與氣凝膠三維網絡交織的復合材料。2.根據權利要求1所述復合材料，其特征是，所述的纖維增強氣凝膠，包括氣凝膠布、氣凝膠紙、氣凝膠氈、氣凝膠板和氣凝膠異形件中一種或幾種。3.根據權利要求1所述復合材料，其特征是，所述的氣凝膠，密度為3~600kg/m3，平均孔徑為2~100nm，孔隙率為50%~99%。4.根據權利要求1所述復合材料，其特征是，所述的氣凝膠包括氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠、氧化鈦氣凝膠、氧化鎂氣凝膠、氧化銅氣凝膠、氧化鐵氣凝膠、氧化鈷氣凝膠、氧化鎳氣凝膠、氧化錳氣凝膠、氧化鋅氣凝膠、氧化錫氣凝膠、氧化鎘氣凝膠、氧化鉻氣凝膠、氧化鈮氣凝膠、氧化鉭氣凝膠、氧化鈰氣凝膠、氧化釩氣凝膠、氧化鉬氣凝膠、氧化鎢氣凝膠、氧化鉿氣凝膠、氧化釷氣凝膠、氧化鈹氣凝膠、氧化釔氣凝膠、氧化鈧氣凝膠、氧化鈰氣凝膠、氧化鍶氣凝膠、氧化銦氣凝膠、氧化鎵氣凝膠、氧化鉍氣凝膠、氧化鑭氣凝膠、氧化鐿氣凝膠、氧化銪氣凝膠、氧化釹氣凝膠、氧化鋱氣凝膠、氧化鐠氣凝膠、氧化釤氣凝膠碳化硅氣凝膠、氮化硅氣凝膠、碳氣凝膠、石墨烯氣凝膠中一種或幾種。5.根據權利要求1所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：金承黎，
申請(專利權)人：金承黎，
類型：發明
國別省市：浙江,33