碳化硅颗粒的预处理方法及铝基复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 碳化硅颗粒的预处理方法及铝基复合材料的制备方法 (Pretreatment method of silicon carbide particles and preparation method of aluminum matrix composite ) 是由 刘春轩 高平平 蒋兆汝 曹柳絮 张扬 戴青松 罗任 苏新 吴云 蒋小汉 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本申请涉及碳化硅颗粒的预处理方法及铝基复合材料的制备方法,通过在碳化硅颗粒表面形成二氧化硅层,再对其进行蚀刻,以制造表面孔洞,一方面二氧化硅层可与铝合金原料粉中的合金元素作用形成界面产物,提高碳化硅颗粒与铝合金原料粉之间的润湿性及界面结合强度,另一方面,表面孔洞使得铝合金原料粉与碳化硅颗粒之间还可以通过物理铆合作用进一步增强连接性能,减少因膨胀系数差异出现的界面脱离现象,因此,可实现铝基复合材料中碳化硅颗粒的质量含量达到50％～70％。(The application relates to a pretreatment method of silicon carbide particles and a preparation method of an aluminum matrix composite, a silicon dioxide layer is formed on the surface of the silicon carbide particles, and then the silicon dioxide layer is etched to manufacture surface holes, on one hand, the silicon dioxide layer can act with alloy elements in aluminum alloy raw material powder to form an interface product, so that the wettability and the interface bonding strength between the silicon carbide particles and the aluminum alloy raw material powder are improved, on the other hand, the surface holes enable the connection performance between the aluminum alloy raw material powder and the silicon carbide particles to be further enhanced through a physical riveting effect, and the interface separation phenomenon caused by the difference of expansion coefficients is reduced, so that the mass content of the silicon carbide particles in the aluminum matrix composite can reach 50% -70%.)
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及碳化硅颗粒的预处理方法及铝基复合材料的制备方法。
背景技术
碳化硅颗粒具有高模量、高耐磨、高强度、低密度和耐高温等优异的性能，而铝基材料(这里主要是指铝或铝合金)则具有质轻、导热性好等优点，将碳化硅颗粒和铝基材料复合，可大幅度提高铝基材料的综合性能，且含量越高，增强效果越显著，但随着碳化硅颗粒含量的增加势必会使碳化硅颗粒和铝粉之间润湿性不佳、碳化硅颗粒在基体中分布不均匀、界面结合差、存在有害界面反应等问题放大，极大地限制了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的应用。
对碳化硅颗粒进行预处理是解决上述问题的重要途径。目前已经公开报道的碳化硅颗粒预处理方法有：高温氧化、表面镀层、酸洗、碱洗、超声清洗等。高温氧化是将碳化硅颗粒加热到1000℃以上并进行长时间保温，使碳化硅颗粒表面发生氧化生成SiO2氧化物，达到改善润湿性的目的。但该方法只适用于碳化硅颗粒含量在30％以下的铝基复合材料，随着铝基复合材料中碳化硅颗粒含量的增加，仍容易出现团聚、颗粒分布不均匀等现象。表面镀层是通过物理或化学方法在碳化硅颗粒表面镀上Ni或Cu等金属层，达到改善碳化硅颗粒与铝液之间润湿性的目的，但该方法生产成本高，很难获得大规模的工业化应用。酸洗、碱洗、超声清洗等方法只能去除碳化硅颗粒表面吸附的杂质、有机物和水分等，获得较为纯净的碳化硅颗粒，但无法解决碳化硅颗粒与铝粉之间的润湿性问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种碳化硅颗粒的预处理方法，通过该方法处理的碳化硅颗粒与铝粉之间具有较好的润湿性和界面结合力，可使铝基复合材料中碳化硅颗粒的质量含量达到50％以上，甚至可达到70％。
一种碳化硅颗粒的预处理方法，包括以下步骤：
提供碳化硅颗粒；
在所述碳化硅颗粒表面形成二氧化硅层，对所述二氧化硅层进行蚀刻后水洗、烘干，即可。
在其中一个实施例中，所述蚀刻的条件为：采用2mol/L～6mol/L的氟化铵水溶液浸泡60～180分钟。
在其中一个实施例中，所述烘干的温度为120℃～250℃，时间为60～180分钟。
在其中一个实施例中，在所述碳化硅颗粒表面形成二氧化硅层的步骤具体为：
将所述碳化硅颗粒在1200℃～1500℃煅烧30～60分钟。
在其中一个实施例中，在所述碳化硅颗粒表面形成二氧化硅层的步骤之前，还包括对所述碳化硅颗粒进行表面除杂的步骤。
在其中一个实施例中，对所述碳化硅颗粒进行表面除杂的步骤具体为：
对所述碳化硅颗粒依次进行碱洗、酸洗和水洗后，烘干。
在其中一个实施例中，在对所述碳化硅颗粒依次进行碱洗、酸洗和水洗后，烘干的步骤中：
所述碱洗为采用1mol/L～5mol/L的氢氧化钠水溶液清洗30～120分钟；所述酸洗为采用10％～20％的盐酸溶液清洗30～60分钟；所述烘干的温度为120℃～250℃，时间为30～60分钟。
此外，本申请还提供一种铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
提供经上述任一项所述的预处理方法预处理过的碳化硅颗粒；
提供铝合金原料粉，所述铝合金原料粉由铝粉、铝镁中间合金粉、铝铜中间合金粉、铝锆中间合金粉、铝钇中间合金粉、铝铈中间合金粉和没食子酸丙酯组成，且所述铝合金原料粉中镁元素的质量含量为1.5％～3.2％、铜元素的质量含量为1.0％～2.5％、锆元素的质量含量为0.2％～0.5％、钇元素的质量含量为0.1％～0.5％、铈元素的质量含量为0.1％～0.5％，没食子酸丙酯的质量含量为1％～2％，余量为铝；
将所述铝镁中间合金粉、铝铜中间合金粉、铝锆中间合金粉、铝钇中间合金粉、铝铈中间合金粉和部分所述铝粉机械搅拌混合均匀后，添加所述没食子酸丙酯，得到第一混合料；
将所述第一混合料、剩余所述铝粉和所述碳化硅颗粒进行气流混合后再机械搅拌混合均匀，得到第二混合料；
将所述第二混合料压制成型后烧结，得到所述铝基复合材料。
在其中一个实施例中，所述第一混合料中铝粉的质量为所述铝镁中间合金粉、铝铜中间合金粉、铝锆中间合金粉、铝钇中间合金粉和铝铈中间合金粉质量总和的2～5倍。
在其中一个实施例中，所述第二混合料中，碳化硅的质量含量为50％～70％。
在其中一个实施例中，所述压制成型的压力为150MPa～300MPa；所述烧结的条件为：380℃～600℃烧结1～3小时。
上述铝基复合材料的制备方法，碳化硅颗粒预先在表面形成二氧化硅层，再对其进行蚀刻，以制造表面孔洞，一方面二氧化硅层可与铝合金原料粉中的合金元素作用形成界面产物，提高碳化硅颗粒与铝合金原料粉之间的润湿性及界面结合强度，另一方面，表面孔洞使得铝合金原料粉与碳化硅颗粒之间还可以通过物理铆合作用进一步增强连接性能，减少因膨胀系数差异出现的界面脱离现象，因此，可实现铝基复合材料中碳化硅颗粒的质量含量达到50％～70％，且该制备方法简单，适合工业大规模生产使用。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式的铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤S110～S170：
S110、提供碳化硅颗粒。
需要说明的是，上述碳化硅颗粒为市面上通用的碳化硅颗粒。
进一步的，碳化硅颗粒的粒径为10μm～20μm。
通过选择粒径为10μm～20μm的碳化硅颗粒，有利于其在后续铝合金原料粉中的均匀分散，且可以减少压制成型时变形的难度。
S120、对上述碳化硅颗粒进行表面除杂，得到除杂后的碳化硅颗粒。
在本实施方式中，对上述碳化硅颗粒进行表面除杂的步骤具体为：对上述碳化硅颗粒依次进行碱洗、酸洗和水洗后，烘干，以除去碳化硅颗粒表面吸附的硅酸盐等杂质，以更有利于后续二氧化硅层的形成。
进一步的，碱洗为采用1mol/L～5mol/L的氢氧化钠水溶液清洗30～120分钟；酸洗为采用10％～20％(质量含量)的盐酸溶液清洗30～60分钟；烘干的温度为120℃～250℃，时间为30～60分钟。
S130、在上述除杂后的碳化硅颗粒表面形成二氧化硅层，对该二氧化硅层进行蚀刻后水洗、烘干。
在本实施方式中，步骤S130具体为：将上述除杂后的碳化硅颗粒在1200℃～1500℃煅烧30～60分钟。
进一步的，蚀刻的条件为：采用2mol/L～6mol/L的氟化铵水溶液浸泡60～180分钟。
上述碳化硅颗粒经过步骤S110～S130处理后，表面形成布有孔洞的二氧化硅层。
需要说明的是，如果步骤S110提供的碳化硅颗粒杂质含量较少，对后续二氧化硅层的影响较小，则步骤S120可以省略。
步骤S130中烘干的温度为120℃～250℃，时间为60～180分钟。
S140、提供铝合金原料粉。
在本实施方式中，铝合金原料粉由铝粉、铝镁中间合金粉、铝铜中间合金粉、铝锆中间合金粉、铝钇中间合金粉、铝铈中间合金粉和没食子酸丙酯组成，且铝合金原料粉中镁元素的质量含量为1.5％～3.2％、铜元素的质量含量为1.0％～2.5％、锆元素的质量含量为0.2％～0.5％、钇元素的质量含量为0.1％～0.5％、铈元素的质量含量为0.1％～0.5％，没食子酸丙酯的质量含量为1％～2％，余量为铝。
需要说明的是，步骤S140中上述各原料粉分别放置，并未混合。
S150、将上述铝镁中间合金粉、铝铜中间合金粉、铝锆中间合金粉、铝钇中间合金粉、铝铈中间合金粉和部分铝粉机械搅拌混合均匀后，添加没食子酸丙酯(PG)，得到第一混合料。
其中，第一混合料中铝粉的质量为铝镁中间合金粉、铝铜中间合金粉、铝锆中间合金粉、铝钇中间合金粉和铝铈中间合金粉质量总和的2～5倍。
可以理解，铝镁中间合金粉、铝铜中间合金粉、铝锆中间合金粉、铝钇中间合金粉和铝铈中间合金粉的质量可以根据步骤S140中镁元素、铜元素、锆元素、钇元素和铈元素在铝合金原料粉中的质量含量确定，并以此确定步骤S150中添加的铝粉的质量。
上述合金元素在后续烧结过程中可在碳化硅颗粒和铝粉之间的界面处富集，其中镁元素和铜元素容易与碳化硅颗粒表面的二氧化硅层反应，形成良好的界面反应物，提高界面结合力，而锆元素、钇元素和铈元素的添加，增加了材料的固溶强化效果，同时钇元素和铈元素在后续烧结过程中还可以起到脱氧和弥散强化效果，有效促进碳化硅颗粒在基体中的均匀分散。
可以理解，PG的添加一方面起到粘结作用，进一步增加界面结合力，另一方面可在后续烧结过程中起到脱氧作用。
S160、将上述第一混合料、剩余铝粉和碳化硅颗粒进行气流混合后再机械搅拌混合均匀，得到第二混合料。
具体的，将上述第一混合料、剩余铝粉和碳化硅颗粒分别用氮气雾化输出进行气流混合，以保证碳化硅颗粒与铝粉混合均匀，防止碳化硅颗粒出现团聚现象。
可以理解，步骤S160中的碳化硅颗粒为经步骤S110～S130处理后的碳化硅颗粒。
进一步的，第二混合料中碳化硅颗粒的质量含量为50％～70％。
S170、将上述第二混合料压制成型后烧结，得到铝基复合材料。
其中，压制成型的压力为150MPa～300MPa。烧结的条件为：380℃～600℃烧结1～3小时。
通过控制烧结温度和时间，使铜元素、镁元素更容易突破铝粉表面的氧化皮进行扩散，同时碳化硅颗粒表面的二氧化硅层与铝粉以及合金元素的反应结合更为紧密，有效提高铝基复合材料的致密度。
上述方法制备得到的铝基复合材料，经测试，拉伸强度为200MPa～250MPa，25℃～300℃的线膨胀系数为9～10。
采用本发明方法所制备的铝基复合材料，性能优越，能够在强度和膨胀系数要求高的导弹陀螺仪，雷达T/R组件，卫星框架等行业中使用。
以下为具体实施例。
实施例1
(1)采用市场上通用的SiC颗粒，颗粒的尺寸为10μm～20μm，使用1mol/L的NaOH水溶液清洗30分钟后，再使用20wt％的盐酸溶液清洗30分钟，最后使用纯净水洗净，然后在烘箱中180℃烘烤60分钟，得到除杂后的碳化硅颗粒。
(2)将除杂后的碳化硅颗粒在1500℃煅烧60分钟，以在SiC颗粒表面获得一定厚度的氧化层，然后浸入3mol/L的NH4F水溶液中，浸泡120分钟，然后用清水洗净，在烘箱中180℃烘烤60分钟，得到预处理后的碳化硅颗粒。
(3)将5g铝镁中间合金粉(50wt％质量分数)、4g铝铜中间合金粉(50wt％质量分数)、1g铝锆中间合金粉(50wt％质量分数)、1g铝钇中间合金粉(50wt％质量分数)、0.8g铝铈中间合金粉(50wt％质量分数)和25g铝粉机械搅拌混合均匀后，添加1g没食子酸丙酯，得到第一混合料。
(4)将上述第一混合料、62.2g铝粉和100g碳化硅颗粒分别用氮气雾化后进行气流混合，再机械搅拌混合均匀，得到第二混合料。
(5)将第二混合料在300MPa压制成型后在600℃烧结2h，得到铝基复合材料。
经检测，实施例1制备的铝基复合材料的拉伸强度为210MPa，25℃～300℃的线膨胀系数为9.8。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，不同的是，实施例2省略了步骤(1)。
经检测，实施例2制备的铝基复合材料的拉伸强度为201MPa，25℃～300℃的线膨胀系数为10。
通过实施例1和实施例2对比可知，通过本申请制备方法获得的铝基复合材料SiC颗粒分散均匀，界面结合良好，但是因SiC颗粒表面杂质的存在，使铝基复合材料的拉伸强度稍有降低。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，不同的是，对比例1省略了步骤(2)。
经检测，对比例1制备的铝基复合材料的拉伸强度为169MPa，25℃～300℃的线膨胀系数为10.3。
通过实施例1和对比例1对比可知，通过对SiC颗粒表面微蚀造孔技术，提高了铝粉与SiC颗粒表面的机械嵌合作用，同时表面氧化工艺可以进一步保证SiC和Al的反应比表面积，因此省略步骤(2)对材料性能和热膨胀性能造成不利影响。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同，不同的是，对比例2在步骤(4)中没有采用气流混合后再机械搅拌混合，而是直接采用机械搅拌混合。
经检测，对比例2制备的铝基复合材料的拉伸强度为193MPa，25℃～300℃的线膨胀系数为10.1，且通过微观结构发现碳化硅颗粒发生团聚。
对比例3
对比例3与实施例1基本相同，不同的是，对比例3在步骤(3)中铝铜中间合金粉的添加量为1g，在步骤(4)中铝粉的添加量为65.2g。
经检测，对比例3制备的铝基复合材料的拉伸强度为189.6MPa，25℃～300℃的线膨胀系数为10.2。
通过实施例1和对比例3对比可知，铜元素可以提高Al粉润湿性能，同时合金化提高基体的性能而影响材料力学性能，铜元素含量的降低使得整个基体强化效果下降，热处理弥散析出相减少。
实施例3
(1)采用市场上通用的SiC颗粒，颗粒的尺寸为10μm～20μm，使用5mol/L的NaOH水溶液清洗120分钟后，再使用10wt％的盐酸溶液清洗60分钟，最后使用纯净水洗净，然后在烘箱中250℃烘烤30分钟，得到除杂后的碳化硅颗粒。
(2)将除杂后的碳化硅颗粒在1200℃煅烧30分钟，以在SiC颗粒表面获得一定厚度的氧化层，然后浸入6mol/L的NH4F水溶液中，浸泡60分钟，然后用清水洗净，在烘箱中120℃烘烤180分钟，得到预处理后的碳化硅颗粒。
(5)将3g铝镁中间合金粉(50wt％质量分数)、2g铝铜中间合金粉(50wt％质量分数)、0.4g铝锆中间合金粉(50wt％质量分数)、0.2g铝钇中间合金粉(50wt％质量分数)、0.2g铝铈中间合金粉(50wt％质量分数)和29g铝粉机械搅拌混合均匀后，添加2g没食子酸丙酯，得到第一混合料。
(6)将上述第一混合料、63.2g铝粉和233g碳化硅颗粒分别用氮气雾化输出进行气流混合，再机械搅拌混合均匀，得到第二混合料。
(5)将第二混合料在150MPa压制成型后在380℃烧结3h，得到铝基复合材料。
经检测，实施例3制备的铝基复合材料的拉伸强度为250MPa，25℃～300℃的线膨胀系数为9.1。
实施例4
(1)采用市场上通用的SiC颗粒，颗粒的尺寸为10μm～20μm，使用5mol/L的NaOH水溶液清洗60分钟后，再使用10wt％的盐酸溶液清洗60分钟，最后使用纯净水洗净，然后在烘箱中200℃烘烤50分钟，得到除杂后的碳化硅颗粒。
(2)将除杂后的碳化硅颗粒在1200℃煅烧45分钟，以在SiC颗粒表面获得一定厚度的氧化层，然后浸入2mol/L的NH4F水溶液中，浸泡180分钟，然后用清水洗净，在烘箱中250℃烘烤60分钟，得到预处理后的碳化硅颗粒。
(7)将6.4g铝镁中间合金粉(50wt％质量分数)、5g铝铜中间合金粉(50wt％质量分数)、1g铝锆中间合金粉(50wt％质量分数)、1g铝钇中间合金粉(50wt％质量分数)、1g铝铈中间合金粉(50wt％质量分数)和28.8g铝粉机械搅拌混合均匀后，添加1g没食子酸丙酯，得到第一混合料。
(8)将上述第一混合料、55.8g铝粉和150g碳化硅颗粒分别用氮气雾化输出进行气流混合，再机械搅拌混合均匀，得到第二混合料。
(5)将第二混合料在200MPa压制成型后在600℃烧结1h，得到铝基复合材料。
经检测，实施例3制备的铝基复合材料的拉伸强度为235MPa，25℃～300℃的线膨胀系数为9.4。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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