阅读说明：本技术 高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法及其复合材料 (Method for reinforcing aluminium base composite material by high-strength silicon carbide particle and composite material thereof ) 是由 崔铖 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法及其复合材料,包括以下步骤：S1、将不同粒径的碳化硅颗粒以及铝粉按照一定的质量比球磨均匀；S2、加入粘合剂、乳蜡和磷酸二氢铝,搅拌均匀并过筛备用；S3、将过筛后的物料放入模具当中,脱模后得到碳化硅铝预烧体；S4、将预烧体进行烧结、粉碎、球磨整形,过筛,得到碳化硅铝颗粒等步骤。本发明通过对小粒径碳化硅颗粒进行改性处理后,再制得碳化硅铝预制型,最后进行差压浸渗铝液,得到高强度碳化硅增强铝复合材料,该方法解决了亚微米或纳米级的碳化硅铝(颗粒尺寸小于1μm)存在的易团聚、难浸渗的缺陷,克服了现有压力铸造和搅拌铸造所存在的不足。(The invention discloses a method for preparing a high-strength silicon carbide particle reinforced aluminum matrix composite and the composite, which comprises the following steps: s1, uniformly ball-milling silicon carbide particles with different particle sizes and aluminum powder according to a certain mass ratio; s2, adding the adhesive, the milk wax and the aluminum dihydrogen phosphate, stirring uniformly and sieving for later use; s3, placing the sieved material into a mold, and demolding to obtain a silicon aluminum carbide pre-sintered body; and S4, sintering, crushing, ball-milling and shaping the pre-sintered body, and sieving to obtain silicon aluminum carbide particles. The invention obtains the high-strength silicon carbide reinforced aluminum composite material by modifying small-particle-size silicon carbide particles, then preparing a silicon aluminum carbide prefabricated model and finally infiltrating aluminum liquid in a differential pressure manner.)

高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法及其复合材料

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，特别涉及一种高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法及其复合材料。

背景技术

碳化硅铝复合材料属于陶瓷增强金属基复合材料，以铝合金为基体，以碳化硅陶瓷颗粒作为增强相。此复合材料具有比刚度高、导热率高、膨胀系数低、密度低等诸多优势，在航空航天、高功率电子元器件散热封装、光学器件、耐磨等领域有着广泛的应用。

现有的高体分碳化硅铝复合材料多采用压力铸造的方式获得，即先采用碳化硅颗粒制备多孔陶瓷预制型，然后通过压力铸造将铝合金溶液渗入碳化硅陶瓷当中，这种方法对于制备普通强度的碳化硅铝材料没有问题，对于制备超高强度复合材料却很难完成，尤其是当碳化硅颗粒尺寸小于5μm时，制备的陶瓷预制体在烧结或加热过程中碳化硅颗粒会发生移动或扩散，排挤预留孔道，从而使得铝液无法渗入碳化硅预制型，或者即使表层有少量渗入，性能也远远不能满足要求。

对于碳化硅颗粒尺寸小于5μm以下时，亚微米或纳米级的碳化硅铝多采用搅拌铸造的方法实现，然而此方法很容易发生颗粒团聚，制备的复合材料体积分数一般很难大于25％，强度及各方面性能还不如压力铸造法制备的产品。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法及其复合材料，通过对小粒径碳化硅颗粒进行改性处理，然后再得到碳化硅铝预制型，最后进行差压浸渗铝液，得到高强度碳化硅铝复合材料，解决了高体分小粒径碳化硅预制型铝液无法渗入的问题，为高强度碳化硅铝复合材料的制备提供了新的思路，克服了现有压力铸造和搅拌铸造所存在的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将粒径分别为0.1－0.25μm、0.3－0.5μm、0.6－0.8μm的碳化硅颗粒以及粒径为5－10μm的铝粉按照一定的质量比，在惰性气体的气氛保护下球磨均匀；

S2、向球磨好的物料当中加入质量比分别为0.5－3％的粘合剂、0.5－2％的乳蜡和0.3－1％的磷酸二氢铝，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在10－20MPa压力下保压5－60s，脱模后得到碳化硅铝预烧体；

S4、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结完成后得到低铝含量的碳化硅铝材料；

S5、将上述碳化硅铝复合材料粉碎、球磨整形，过筛，得到碳化硅铝颗粒；

S6、将S5得到的碳化硅铝颗粒作为高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的原料。

在本发明中，粒径分别为0.1－0.25μm、0.3－0.5μm、0.6－0.8μm的碳化硅颗粒以及粒径为5－10μm的铝粉的质量比分别为5－25：10－35：30－75：5－10。

作为优选，在S1中，碳化硅颗粒的粒径分别为0.25μm、0.5μm和0.8μm。

在本发明中，在S4中，烧结温度为500－800℃，烧结气氛为氮气和氢气的混合气氛。

在本发明中，所述粘合剂选自聚乙烯醇、聚醋酸乙烯脂、糊精、石蜡的一种或多种，优选为聚乙烯醇。

本发明还包括一种高强度碳化硅铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S5.1、选择上述高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法制备得到的碳化硅铝颗粒，并分别挑选出8－12μm、20－40μm和50－80μm粒径的碳化硅铝颗粒；

S5.2、将8－12μm、20－40μm和50－80μm粒径的碳化硅铝颗粒按照一定的质量比混合均匀，然后加入质量比0.5－3％的粘合剂、0.5－2％的乳蜡和0.5－5％的造孔剂，搅拌均匀过筛备用；

S5.3、将上一步制备的物料放入模具当中制备得到预烧体；

S5.4、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，得到碳化硅铝预制型；

S5.5、将碳化硅铝预制型放入真空差压铸造炉内模具中，通过真空差压铸造的方法，将铝合金金属液注入碳化硅铝预制型的孔隙当中，制备得到复合材料；

S5.6、冷却后将复合材料放入热处理炉中进行退火处理，即得到高强度铝基碳化硅复合材料。

进一步，8－12μm、20－40μm和50－80μm粒径的碳化硅铝颗粒的质量比为10－20：20－40：30－70。

作为优选，将粒径为10μm、30μm和60μm的碳化硅铝颗粒按照质量比为10－20：20－40：30－70的比例混合均匀，然后再加入粘合剂、乳蜡和造孔剂。

在本发明中，所述粘合剂选自聚乙烯醇、聚醋酸乙烯脂、糊精、石蜡的一种或多种，优选为聚乙烯醇；所述造孔剂选自淀粉、碳粉、草酸铵的一种或多种，优选为淀粉。

本发明还包括一种高强度碳化硅铝复合材料，其特征在于，所述高强度碳化硅铝复合材料通过权利要求5－9之一所述的高强度碳化硅铝复合材料的制备方法制备得到，高强度碳化硅铝复合材料的抗弯强度不低于600MPa，气密性小于10^－10Pa·m³/s。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种高强碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法及其复合材料，通过对小粒径碳化硅颗粒进行改性处理，然后再得到碳化硅铝预制型，最后进行差压浸渗铝液，得到高强度碳化硅铝复合材料，克服了亚微米或纳米级的碳化硅铝(颗粒尺寸小于1μm)存在的易团聚、难浸渗的缺陷，解决了小粒径碳化硅表面润湿性和预留孔道难的问题，为高强度碳化硅铝复合材料的制备提供了新的思路，克服了现有压力铸造和搅拌铸造所存在的不足；

2、本发明的制备方法可根据配比调整制备出50－70％体分的碳化硅铝复合材料，其力学性能优异，抗弯强度可以达到600MPa以上，致密性好，气密性小于10^－10Pa·m³/s，满足了军工要求，加工后粗糙度低，有利于进行后期表面处理及相关电镀、化学镀工作。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种高强度碳化硅增强铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将粒径分别为0.1－0.25μm、0.3－0.5μm、0.6－0.8μm的碳化硅颗粒以及粒径为5－10μm的铝粉按照质量比分别为5：10：75：10的比例，在氮气气氛保护下球磨均匀；

S2、向球磨好的物料当中加入质量比分别为0.5％的聚乙烯醇溶液、2％的乳蜡和0.3％的磷酸二氢铝溶液，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在10MPa压力下保压5s，脱模后得到碳化硅铝预烧体；

S4、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为500℃，烧结气氛为氮气和氢气，烧结完成后得到低铝含量碳化硅铝材料；

S5、将上述低铝含量碳化硅铝复合材料粉碎、球磨整形，过筛，挑选出粒径分别为8－12μm、20－40μm和50－80μm的碳化硅铝颗粒；

S6、将8－12μm、20－40μm和50－80μm粒径的碳化硅铝颗粒分别按照质量比10：20：70的比例混合均匀，然后加入质量比3％的聚乙烯醇溶液、0.5％的乳蜡和0.5％的淀粉，搅拌均匀过筛备用；

S7、将上一步制备的物料放入模具当中，在10MPa压力下保压5s，脱模后得到坯体；

S8、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为300℃，烧结气氛为氮气和氢气，烧结完成后得到碳化硅铝预制型；

S9、将碳化硅铝预制型放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将铝合金金属液注入碳化硅铝预制型的孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，浸渗过程控制铝合金溶液温度为680℃，浸渗压力为0.1MPa；

S10、冷却后将复合材料放入热处理炉中进行退火处理，即得到高强度铝基碳化硅复合材料。

实施例2

一种高强度碳化硅增强铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将粒径分别为0.25μm，0.5μm，0.8μm的碳化硅颗粒以及粒径为5－10μm的铝粉按照质量比分别为10：20：60：10的比例，在氮气气氛保护下球磨均匀；

S2、向球磨好的物料当中加入质量比分别为3％的聚乙烯醇溶液、0.5％的乳蜡和1％的磷酸二氢铝溶液，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在15MPa压力下保压60s，脱模后得到碳化硅铝预烧体；

S4、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为800℃，烧结气氛为氮气和氢气，烧结完成后得到低铝含量碳化硅铝材料；

S5、将上述低铝含量碳化硅铝复合材料粉碎、球磨整形，过筛，挑选出粒径分别为10μm、30μm、60μm的碳化硅铝颗粒；

S6、将10μm、30μm、60μm碳化硅铝颗粒分别按照质量比20：40：40的比例混合均匀，然后加入质量比3％的聚乙烯醇溶液、2％的乳蜡和5％的淀粉，搅拌均匀过筛备用；

S7、将上一步制备的物料放入模具当中，在20MPa压力下保压120s，脱模后得到坯体；

S8、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为500℃，烧结气氛为氮气和氢气，烧结完成后得到碳化硅铝预制型；

S9、将碳化硅铝预制型放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将铝合金金属液注入碳化硅铝预制型的孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，浸渗过程控制铝合金溶液温度为750℃，浸渗压力为0.3MPa；

S10、冷却后将复合材料放入热处理炉中进行退火处理，即得到高强度铝基碳化硅复合材料。

实施例3

一种高强度碳化硅增强铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将粒径分别为0.25μm、0.5μm、0.8μm的碳化硅颗粒以及粒径为5－10μm的铝粉按照质量比分别为10：12：70：8的比例，在氮气气氛保护下球磨均匀；

S2、向球磨好的物料当中加入质量比分别为2％的聚乙烯醇溶液、1％的乳蜡和1％的磷酸二氢铝溶液，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在20MPa压力下保压30s，脱模后得到碳化硅铝预烧体；

S4、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为700℃，烧结气氛为氮气和氢气，烧结完成后得到低铝含量碳化硅铝材料；

S5、将上述低铝含量碳化硅铝复合材料粉碎、球磨整形，过筛，挑选出粒径分别为10μm、30μm、60μm的碳化硅铝颗粒；

S6、将10μm、30μm、60μm碳化硅铝颗粒分别按照质量比15：20：65的比例混合均匀，然后加入质量比2％的聚乙烯醇溶液、1％的乳蜡和8％的碳粉，搅拌均匀过筛备用；

S7、将上一步制备的物料放入模具当中，在20MPa压力下保压80s，脱模后得到坯体；

S8、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为600℃，烧结气氛为氮气和氢气，烧结完成后得到碳化硅铝预制型；

S9、将碳化硅铝预制型放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将铝合金金属液注入碳化硅铝预制型的孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，浸渗过程控制铝合金溶液温度为720℃，浸渗压力为0.2MPa；

S10、冷却后将复合材料放入热处理炉中进行退火处理，即得到高强度铝基碳化硅复合材料。

实施例4

一种高强度碳化硅增强铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将粒径分别为0.25μm、0.5μm、0.8μm的碳化硅颗粒以及粒径为5－10μm的铝粉按照质量比分别为6：14：65：15的比例，在氮气气氛保护下球磨均匀；

S2、向球磨好的物料当中加入质量比分别为1.5％的聚乙烯醇溶液、1.5％的乳蜡和1.5％的磷酸二氢铝溶液，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在18MPa压力下保压40s，脱模后得到碳化硅铝预烧体；

S4、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为650℃，烧结气氛为氮气和氢气，烧结完成后得到低铝含量碳化硅铝材料；

S5、将上述低铝含量碳化硅铝复合材料粉碎、球磨整形，过筛，挑选出粒径分别为10μm、30μm、60μm的碳化硅铝颗粒；

S6、将10μm、30μm、60μm碳化硅铝颗粒分别按照质量比12：28：60的比例混合均匀，然后加入质量比2.5％的聚乙烯醇溶液、1.5％的乳蜡和6％的碳粉，搅拌均匀过筛备用；

S7、将上一步制备的物料放入模具当中，在18MPa压力下保压40s，脱模后得到坯体；

S8、将预烧体在真空弱还原气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为500℃，烧结气氛为氮气和氢气，烧结完成后得到碳化硅铝预制型；

S9、将碳化硅铝预制型放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将铝合金金属液注入碳化硅铝预制型的孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，浸渗过程控制铝合金溶液温度为700℃，浸渗压力为0.2MPa；

S10、冷却后将复合材料放入热处理炉中进行退火处理，即得到高强度铝基碳化硅复合材料。

实施例5

实施例5的制备方法基本与实施例1相同，不同之处在于，浸渗过程中采用的温度为700℃，压力为0.3MPa。

实施例6

实施例6的制备方法基本与实施例1相同，不同之处在于，制备第S5步时挑选的颗粒尺寸分别为20μm、40μm、80μm。

上述实施例制得的高强度碳化硅铝复合材料，碳化硅体积分数为50－70％，其力学性能优异，抗弯强度可以达到600MPa以上，致密性好，气密性小于10^－10Pa·m³/s，满足了高精尖行业要求，加工后粗糙度低，有利于进行后期表面处理及相关电镀、化学镀工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。