CN100449012C

CN100449012C - 一种复杂形状高体分比SiCp/Al复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN100449012C
Application number: CNB2007100642817A
Authority: CN
Inventors: 何新波; 曲选辉; 马强; 任淑彬
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: CN101016591A

Abstract

一种复杂形状高体分比SiC_p/Al复合材料的制备方法，属金属基复合材料研究领域。配制含单体、交联剂、分散剂的预混液，向其中加入SiC粉，球磨得到SiC体积含量为50～70%的稳定悬浮体，加入引发剂和催化剂，搅拌均匀后注入无孔模具内，50～70℃的保温箱中实现固化成型，得到生坯，干燥、排胶、预烧结后得到SiC骨架，将含4～8%Mg、6～12%Si的Al合金置于骨架合适位置放入加热炉中，惰性气氛保护下升温至900～1200℃，充入高纯氮气，保温1～6小时，冷却，得到SiC_p/Al复合材料。本发明优点在于，适合制备复杂形状高体分比大尺寸的SiC_p/Al复合材料构件，近终成型，成本低廉。

Description

一种复杂形状高体分比SiCp/Al复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料研究领域，特别提供了一种复杂形状高体分比SiC_p/Al复合材料的制备方法。

背景技术

高体积分数(50～70％)SiC_p/Al复合材料综合了金属铝和SiC的优良性能，具有优异的物理和力学性能，如较高的弹性模量、高的比强度、良好的导热性能等特点，在电子封装、航空航天等领域具有广泛的应用前景，无论从理论上还是实际应用方向一直都是金属基复合材料研究领域最热点的课题之一，涌现出了大量的制备方法，如铸造法、喷射沉积、粉末冶金法等，但由于这些方法普遍具有成本过高，材料组织不够均一，性能差等缺点，而且只适用于低体积分数的情况。此外，由于SiC_p/Al复合材料非常难于进行机械加工，也在很大程度上限制了其进一步的发展。因此，发展先进的近净成型制备技术仍然是其研究的主要方向之一。

目前，能够制备高体积分数SiC_p/Al复合材料的方法只有浸渗法。根据浸渗过程是否依赖外力的作用，浸渗法大体分为压力浸渗和无压浸渗两个研究方向。压力浸渗法在浸渗过程中需施加额外的压力或真空条件，因此对设备的要求苛刻，操作复杂，成本很高。而无压浸渗无需复杂的设备，具有工艺简单，成本低廉等优点，具有更好的发展前景。液态金属浸渗工艺分为骨架制备-浸渗二个步骤，骨架的制备是所有工艺的前提条件。目前，SiC骨架的制备方法主要有粉末压制、注射成型等。压制法制备的SiC预成形坯存在密度不均匀，受模具限制只能成形简单形状。而注射成型技术只能应用于制造小型零部件。凝胶注模成型技术是一种新型陶瓷材料胶态成型方法，具有可成型复杂形状大型构件，成型坯体质量好、精度高、设备简单、投资成本低等优点，在很多领域都有潜在的应用价值。凝胶注模用浆料中固体颗粒的体积含量与高体分比SiC_p/Al复合材料中SiC的体积分数比较吻合。基于以上原因，本发明首先利用凝胶注模成型技术制备多孔的SiC骨架，然后与低成本的无压浸渗工艺相结合，成功制备了复杂形状高体分比SiC_p/Al复合材料，有效地解决了其低成本制备的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂形状高体分比SiC_p/Al复合材料的制备方法，解决了高体分比复杂形状SiC_p/Al复合材料的低成本近终型制备技术难题。

本发明利用凝胶注模成型与无压浸渗两步工艺制备复杂形状高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiC_p/Al)复合材料。具体实现方法为：

(1)浆料配制：首先配制含单体、交联剂的水溶液(预混液)，其中单体的质量分数为10～20％，单体与交联剂的质量比为(30∶1)～(120∶1)；向上述预混液中加入SiC粉末和分散剂至预定体积含量(为保证较高的尺寸精度，固含量在50～70％，此体积含量为最终SiC_p/Al复合材料中SiC的体积分数)，得到原始浆料。然后采用振动、球磨等手段使SiC在浆料中均匀分散，得到高固相含量的稳定悬浮体。

(2)固化成型：向上述悬浮体中加入总体积0.5～1.0％和0.05～0.1％的引发剂和催化剂，搅拌均匀后将其注入无孔模具中，移入50～70℃的保温箱实现固化成型，得到SiC生坯，干燥。

(3)骨架准备：600℃以下加热上述干燥生坯，烧除全部有机相，并继续升温至800～1100℃，保温1～4小时，对骨架进行预烧结，得到具备可操作强度的多孔SiC预制型骨架。

(4)无压浸渗：将含质量分数为4～8％的Mg和6～12％Si的Al合金置于SiC骨架合适位置一起放入保温炉中，惰性气氛保护下升温至900～1200℃，转换气氛至高纯氮气，保温1～6小时后自然冷却至室温，得到SiC_p/Al复合材料。

本发明所述的预混液中的溶剂不仅限于水，可以是其它有机介质如乙醇等，单体需在选定溶剂中具有较大的溶解度。如水基丙烯酰胺体系、水基丙烯酸羟乙酯体系，乙醇基丙烯酰胺体系等。

本发明所述的SiC原料粉的粒径可以在较宽范围内选取，不同的配比决定了复合材料中SiC的体积分数可以控制在50～70％之间，这样可以保证生坯在干燥过程中有很小的收缩量，成型精度较高。

本发明的主要优点在于：

1、SiC骨架的成型工艺简单，其形状和大小不受限制，成型过程对模具材质的要求很低。

2、可以制备复杂形状高体积分数的SiC_p/Al复合材料，成本低廉，性能良好。

3、能够直接制备近终形的SiC_p/Al复合材料，无需机加工，尺寸精度高。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：制备体积分数为50％的SiC_p/Al复合材料零件

以去离子水为溶剂，丙烯酰胺(AM)为单体，亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂配制单体质量分数为10％、MBAM与AM质量比为1∶30的预混液。将粒径为2.5μm和28μm的粉末以质量比为1∶4的比例加入到上述预混溶液中，同时加入粉末质量分数1.5％的四甲基氢氧化胺10％(TMAH)水溶液作为分散剂，使得SiC占总体积分数的50％。以氧化铝为球磨介质，在球磨桶中混均2小时，得到均一分散的SiC浆料。向上述浆料中加入总体积0.8％的过硫酸胺5％水溶液(ASP)和0.08％的四甲基乙二胺(TEMED)作为催化剂，搅拌均匀后注入无孔塑料模具中，放入70℃的恒温箱中保温40分钟，脱模后在高湿度的气氛下继续保温6小时。提高温度加快干燥速度，至质量不再变化为止。放入加热炉中升温至400℃，保温1小时，继续升温至600℃，保温半小时后加热至1000℃保温2小时进行预烧结处理，将占SiC骨架总体积50％所需质量的铝合金置于SiC骨架上方，通入氩气升温至1000℃，转换气氛至高纯氮气，保温1小时，随炉冷却，得到50％的SiC_p/Al复合材料。

实施例2：制备体积分数为60％的SiC_p/Al复合材料零件

以水为溶剂，丙烯酰胺(AM)为单体，亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂配制单体质量分数为15％、MBAM与AM质量比为1∶70的预混液，将粒径为7μm和63μm的粉末以质量比为1∶2的比例加入到上述预混溶液中，同时加入粉末质量分数2.0％的四甲基氢氧化胺10％(TMAH)水溶液作为分散剂，球磨4小时，搅拌均匀得到均一分散的SiC浆料，搅拌并向上述悬浮体中加入浆料体积分数0.6％的过硫酸胺5％水溶液(ASP)和0.06％‰的四甲基乙二胺(TEMED)作为催化剂，搅拌均匀后注入无孔塑料模具中，放入60℃高湿度的恒温箱中保温40分钟，脱模后继续保温5小时。加快干燥速度，至质量不再变化为止。放入加热炉中升温至400℃，保温2小时，继续升温至600℃，保温半小时后加热至900℃预烧结2小时，将占SiC骨架总体积40％所需铝合金质量的铝置于SiC骨架合适位置，通入高纯氮气，升温至1100℃，保温3小时，随炉冷却，得到60％的SiC_p/Al复合材料。

实施例3：制备体积分数为70％的SiC_p/Al复合材料零件

以去离子水为溶剂，丙烯酰胺(AM)为单体，亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂配制单体质量分数为20％、MBAM与AM质量比为1∶120的预混液，将粒径为0.8μm、7μm及63μm的粉末以质量比为1∶2∶4的比例加入到上述预混溶液中，使得SiC的体积占总体积的70％，同时加入粉末质量分数2.8％的四甲基氢氧化胺10％(TMAH)水溶液作为分散剂，球磨6小时，搅拌均匀得到均一分散的SiC悬浮体，向上述悬浮体中加入浆料体积分数0.4％的过硫酸胺5％水溶液(ASP)和0.04％的四甲基乙二胺(TEMED)作为催化剂，搅拌均匀后注入无孔模具中，放入50℃的恒温箱中保温40分钟，脱模后继续保温5小时，提高温度加快干燥速度，至质量不再变化为止。放入加热炉中升温至400℃，保温1小时，继续升温至600℃，保温半小时后加热至预烧结温度保温2小时，自然冷却。计算占上述SiC骨架总体积30％所需铝合金的质量，将其置于SiC骨架上方一起放入气氛可控的加热炉中，通入高纯氮气，升温至1200℃，保温4小时，随炉冷却，得到70％的SiC_p/Al复合材料。

Claims

1、一种复杂形状高体分比SiC_p/Al复合材料的制备方法，凝胶注模-无压浸渗工艺制备SiC_p/Al复合材料，其特征在于，工艺步骤为：

(1)浆料配制：配制含单体、交联剂和分散剂的预混液，其中单体的质量分数为10～20％，单体与交联剂的质量比为(30∶1)～(120∶1)；向预混液中加入SiC粉末使其占预混液体积含量的50～70％，得到原始浆料；然后采用振动、球磨手段使SiC在浆料中均匀分散，得到高固相含量的稳定悬浮体；

(2)固化成型：向上述悬浮体中分别加入总体积0.5～1.0％和0.05～0.1％的引发剂和催化剂，搅拌均匀后将其注入无孔模具中，移入50～70℃的保温箱实现固化成型，得到SiC生坯，并对其进行干燥；

(3)骨架准备：600℃以下烧除全部有机相，并继续升温至800～1100℃，保温1～4小时，对骨架进行预烧结，得到具备可操作强度的多孔SiC预制型骨架；

(4)无压浸渗：将含质量分数为4～8％的Mg和6～12％Si的Al合金置于SiC骨架合适位置一起放入加热炉中，惰性气氛保护下升温至900～1200℃，转换气氛至高纯氮气，保温1～6小时后自然冷却至室温，得到SiC_p/Al复合材料；

复合材料中SiC的体积分数控制在50～70％之间。

2、按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述的预混液中的溶剂为水或乙醇，单体为丙烯酰胺体系或丙烯酸羟乙酯体系。