碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法及得到的碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅增強(qiáng)鋁基(SiC/Al)復(fù)合材料由于比強(qiáng)度高、比剛度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性能好、導(dǎo)電性能佳及耐磨損等優(yōu)異性能，是金屬基復(fù)合材料中研究最多、應(yīng)用前景最廣的材料之一。從20世紀(jì)80年代開始，世界各國競相開展碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基(SiCp/Al)復(fù)合材料研究。目前，歐美等國家已率先實(shí)現(xiàn)其在航空航天、軍事、電子封裝等尖端領(lǐng)域的應(yīng)用，并逐步向民用領(lǐng)域擴(kuò)展，取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]SiC/Al復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但其制備過程主要存在以下兩個(gè)方面的難題:一方面陶瓷增強(qiáng)體難以均勻分散在鋁基體中，在復(fù)合材料承受機(jī)械載荷或者熱應(yīng)力時(shí)，容易造成局部過高的應(yīng)力集中，從而降低復(fù)合材料整體的力學(xué)性能；另一方面SiC和Al的潤濕性差，兩相界面難以控制，導(dǎo)致復(fù)合材料性能低。二者均嚴(yán)重制約了復(fù)合材料的應(yīng)用。
[0004]針對(duì)增強(qiáng)體難以均勻分散的難題，研究者們發(fā)展了離心鑄造、加強(qiáng)攪拌、原位復(fù)合、SiC顆粒預(yù)先成型制備出微孔SiC體再滲Al等工藝方法。上述方法雖然在一定程度上解決了增強(qiáng)體的偏聚問題，但均存在局限性。如離心鑄造法制備的產(chǎn)品形狀尺寸受限通常只能為筒環(huán)狀；加強(qiáng)攪拌法易導(dǎo)致半固態(tài)金屬液中的氣體和夾雜物不易排除；原位復(fù)合法在增強(qiáng)相的均化和控制有害化合物生成等方面還不成熟；SiC顆粒預(yù)先成型制備出微孔SiC再滲Al的方法在解決增強(qiáng)體不均勻方面具有顯著的優(yōu)勢，但SiC增強(qiáng)體仍為單顆粒分布，在后續(xù)機(jī)械加工和使用過程中仍然不能避免增強(qiáng)體易脫落的普遍難題。
[0005]為了改善SiC與Al兩相材料的潤濕性，研究者們開發(fā)出了在金屬基體中添加合金元素、提高液態(tài)金屬溫度等技術(shù)。但該技術(shù)在提高制備成本的同時(shí)，存在引入不必要的合金元素或犧牲復(fù)合材料的性能為代價(jià)，且兩相潤濕效果并不十分明顯。雖也有對(duì)SiC顆粒表面進(jìn)行氧化處理、SiC顆粒表面進(jìn)行涂層、SiC顆粒表面進(jìn)行氟化物處理等技術(shù)而改善兩相潤濕性并減少有害界面反應(yīng)，但均存在生產(chǎn)制備成本高且界面反應(yīng)不易控制等難題。
[0006]近年來，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SiC陶瓷增強(qiáng)Al基復(fù)合材料由于易克服增強(qiáng)體分布不均的難題而得到人們的關(guān)注與研究。目前，美國的西北大學(xué)通過木材裂解多孔碳滲硅再滲Al合金制備出50vol%SiC/50vol%Al復(fù)合材料。國內(nèi)，西安交大采用SiC網(wǎng)眼多孔陶瓷無壓浸滲工藝，通過在金屬熔體中引入合金元素Si和Mg，制備出三維SiC結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料。沈陽金屬所使用擠壓鑄造法，制備出不同結(jié)構(gòu)的SiC泡沫增強(qiáng)雙連續(xù)相復(fù)合材料。合肥工大采用壓滲法，通過陶瓷骨架表面均勻涂敷K2ZrF6助滲劑，制備出SiC/Al雙連續(xù)相復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中SiC增強(qiáng)體難以分散均勻且SiC與Al兩相界面難以控制的技術(shù)問題，目的在于提供一種新的制備SiC增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的方法。
[0008]本發(fā)明的制備SiC/Al復(fù)合材料的方法具體包括如下步驟:
[0009]步驟A)將氧化物粉末和分散劑加入水中，用球磨介質(zhì)球磨0.5?3小時(shí)，再加入粘結(jié)劑，繼續(xù)球磨2?5小時(shí)得到涂敷漿料；其中，所述的氧化物粉末為氧化鋁和/或氧化硅，氧化物粉末:分散劑:7jC:球磨介質(zhì):粘結(jié)劑的質(zhì)量比為1:0.005?0.01:0.1?0.4:2:0.01 ?0.03 ;
[0010]步驟B)將網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷浸入涂敷漿料中，經(jīng)充分吸收涂敷漿料后，離心去除多余的涂敷漿料并干燥得到二次涂覆的網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷；
[0011]步驟C)將二次涂覆的網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷埋入鋁或鋁合金粉中，抽真空至真空度1Pa以下，然后再升溫至500?1100°C將鋁或鋁合金熔化后，通入氬氣至壓強(qiáng)為0.1?0.8MPa，保溫保壓0.5?3小時(shí)，得到SiC/Al復(fù)合材料。
[0012]本發(fā)明的SiC/Al復(fù)合材料中的改性層使用與制備網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷的燒結(jié)助劑組分(Al2O3-S12)相同的氧化物Al2O3和/或S12，使其參與網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷燒結(jié)致密化過程，達(dá)到阻礙SiC與Al接觸，保護(hù)增強(qiáng)體的目的，且與增強(qiáng)體產(chǎn)生強(qiáng)的結(jié)合；或者一并加入少量的鎂，使其與Al2O3和/或S12層及網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷外層內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石界面相，改善與浸潰Al液的潤濕性能，同時(shí)避免金屬基體中引入大量的合金。然后再通過真空壓力浸潰Al溶液工藝，制備出SiC與Al在三維空間互穿且連續(xù)的高性能SiC/Al復(fù)合材料。
[0013]步驟A)中，較佳地是，步驟A)得到的涂敷漿料的固含量為60?85wt% ;所述分散劑為聚丙烯酸、聚丙烯酸氨、聚丙烯酸鈉和/或硅溶膠；所述的球磨介質(zhì)為碳化硅球；所述的粘結(jié)劑為聚乙烯醇和/或羧甲基纖維素。
[0014]步驟B)中，較佳地是，所述的干燥為自然干燥或30?100°C烘箱中干燥。
[0015]在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，步驟A)為將氧化物粉體和分散劑加入水中，用球磨介質(zhì)球磨0.8?1.5小時(shí)優(yōu)選I小時(shí)，再加入粘結(jié)劑，繼續(xù)球磨2.5?3.5小時(shí)優(yōu)選3小時(shí)得到涂敷漿料；步驟C)為將二次涂覆的網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷埋入鋁或鋁合金粉中，抽真空至真空度0.1?5Pa，再升溫至900?1000°C將鋁或鋁合金熔化后，通入氬氣至壓強(qiáng)為0.5?0.6MPa，保溫保壓I?1.5小時(shí)，得到SiC增強(qiáng)Al基復(fù)合材料。
[0016]步驟C)中較佳地是，所述的鋁合金如為鎂鋁合金。
[0017]步驟B)中所述的網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷是由以下方法制備得到的:將具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和連通氣孔且孔尺寸為1ppi的聚氨酯海綿用酸堿處理后，用陶瓷漿料對(duì)其進(jìn)行表面改性處理，干燥后在900°C預(yù)燒制得網(wǎng)眼陶瓷預(yù)制體；然后再用70%的陶瓷漿料對(duì)網(wǎng)眼陶瓷預(yù)制體進(jìn)行涂覆，干燥后在1300°C燒成網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷；其中所述的陶瓷漿料的粉體原料包括:50?80wt%的碳化娃、4?20wt%的滑石粉、9?25wt%的蘇州土、3?15wt%的氧化鋁和3wt%的硅溶膠，其中wt%是以粉體原料計(jì)。該陶瓷漿料還可以包括膨潤土、羧甲基纖維素和消泡劑等。具體制備工藝見CN200410067101.7。
[0018]本發(fā)明的另一目的在于提供一種本發(fā)明的方法制得的SiC/Al復(fù)合材料。
[0019]本發(fā)明的SiC/Al復(fù)合材料是雙連續(xù)相，顯著特征之一在于改性所采用的涂敷漿料由氧化物組成，與網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷具有相同組分，兩者之間的潤濕性好，界面結(jié)合強(qiáng)度高；從而本發(fā)明可以通過控制涂敷漿料的組成與性能，達(dá)到控制界面結(jié)構(gòu)和界面反應(yīng)的目的，實(shí)現(xiàn)碳化硅基體與金屬之間的強(qiáng)結(jié)合；本發(fā)明的另一個(gè)顯著特征在于，采用真空壓力浸潰鋁工藝制備出SiC/Al復(fù)合材料，具有結(jié)合強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，碳化硅相與Al相之間強(qiáng)結(jié)合且在三維空間均勻連續(xù)分布，避免了碳化硅增強(qiáng)體的偏聚與不連續(xù)，提高SiC/Al復(fù)合材料的性能。
【附圖說明】
[0020]圖1是網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷形貌圖；
[0021]圖