CN102864361B

CN102864361B - 一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102864361B
Application number: CN201210293924.6A
Authority: CN
Inventors: 王爱琴; 倪增磊; 谢敬佩; 李继文; 李洛利; 王文焱; 孙浩亮; 郝世明
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: CN102864361A

Abstract

本发明公开了一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料及其制备方法。该复合材料是由以下重量百分比的化学成分组成：SiC23～35%，Si26～35%，Mg1.8～2.0%，余量为Al及不可避免的杂质。本发明的制备方法主要包括粉体的表面处理、真空湿法高能球磨混料、真空热压烧结。通过控制SiC、合金元素Mg的加入量及制备工艺，能有效的降低材料的热膨胀系数及密度，提高抗拉强度，获得成本较为低，热膨胀系数为7～9×10^-6/℃，密度<2.7g/cm³，抗拉强度>230MPa，且具有抗腐蚀性的复合材料。本发明特别适用于要求材料具有轻质、低膨胀、耐腐蚀、一定强度要求性能的航空航天零件。

Description

一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料制造领域，具体涉及一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

航天器设计中，尺寸稳定性广泛应用在高精密仪器、惯性平台等领域，由于工作环境温度变化幅度较大，以及仪器自身工作的需要，尤其是一些光电设备，要求使用材料在温度变化时，尺寸变化非常小，这就要求材料的热膨胀系数非常小，甚至为零；材料需具有稳定的抗拉强度，要求循环热应力非常小。为了提高航天器的有效载荷，需要进一步降低材料的密度并增强材料的抗腐蚀性，满足使用的要求。

镁合金是工程中最轻的金属材料，但由于其存在强度低、易腐蚀等问题，限制了其在航空航天领域的应用。钛合金的密度为4.5g/cm³，不锈钢材料的密度更大，对航天器来说，结构重量的增加将导致发射成本的升高，同时制约其携带更多的有效载荷。铜、铝或铝合金都具有良好的热传导率、质量较轻、成本低、强度高等优点，易于形成绝缘抗侵蚀薄膜，但是因为铝与其氧化膜的热膨胀系数相差很大，当温差较大时，氧化膜容易开裂，影响材料性能的稳定性。此外，铜、铝或铝合金的热膨胀系数太大(Al的CTE为23.6×10^-6/℃，Cu的CTE为17.8×10^-6/℃)容易引发循环热应力。Cu/Mo合金和Cu/W合金具有较高的热导率及相匹配的热膨胀系数，但Mo、W的价格较高，加工、焊接性能差，且密度较高，不适合应用在航空航天领域。

作为复合材料研究的热点，国内外有许多关于SiC增强铝基复合材料的研究成果公诸于世，但是由于SiC与铝或其合金的热膨胀系数相差太大，组织中残存较大的残余应力，后续处理复杂，在工作环境中容易引起热循环应力，后续处理复杂，在工作环境中容易引起热循环应力，影响材料强度的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料，使得该复合材料具有较低的密度、较小的膨胀系数。

本发明的目的还在于提供一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案在于采用了一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料，该复合材料是由以下重量百分比的化学成分组成：SiC 23～35，Si 25～35，Mg 1.8～2，余量为Al及不可避免的杂质。

所述碳化硅为立方晶型β-SiC，粒度为15～30μm，Al-30Si合金粉末粒度为5～8μm；镁粉粒度为3～5μm。

本发明还采用了一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料的制备方法，该方法具体步骤如下：

（1）首先采用体积分数为10%的HF浸泡SiC粉末，时间为2h，再用蒸馏水清洗，真空抽滤，烘干；然后对SiC粉末进行1100℃高温焙烧，保温3h；对Al-30Si粉末进行无水乙醇超声波震荡清洗，时间为10min，再用蒸馏水清洗，真空抽滤，烘干；

（2）采用真空湿法高能球磨法对SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末进行混料，以无水乙醇为介质，时间为3～5h，转速为230～250r/min，混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干燥；

（3）将混合好的原料粉末装入磨具中，当真空度达到3×10^-2Pa时，以5℃/min的速度加热，温度达到540～560℃，施加120MPa的压力，保温3h，然后随炉冷却，保压至温度降到100摄氏度。

步骤（3）所述的磨具内壁涂抹质量分数为40%的无水乙醇和质量分数为60%的刚玉粉，刚玉粉平均粒度为5μm。

本发明采用上述技术方案的一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料及其制备方法，以Al-30Si合金粉为基体，热膨胀系数非常小的SiC为增强体，镁为界面反应强化剂，采用真空热压烧结制备材料，增强相分布均匀、体积可调、制备过程中镁不必经过全熔的高温状态，避免了铸造法带来镁的强烈氧化，基体与增强相界面处发生过量反应的问题。本发明采用的材料Al-30Si合金粉与SiC的热膨胀系数相差不大，材料组织中残余应力很小，并且由于在真空热压烧结过程中多尺度硅相的析出，能够明显降低材料的热膨胀系数及热循环应力；通过对SiC粉末进行表面处理，使SiC粉末表面尖角钝化、粗糙度增大，提高粉末在基体中的分布均匀性，减少空洞的产生，同时，其表面产生纳米级厚的SiO₂薄膜。真空湿法高能球磨混料，使粉体实现机械合金化，提高材料分布均匀性，防止材料的氧化。通过加入镁，在界面处产生一层纳米级Mg₂Si及MgAl₂O₄产物，使界面变的粗糙，这些生成物的机械镶嵌作用以及部分界面很强的化学结合（其结合能远高于界面的物理结合能），使粉末和基体的界面结合增强，有利于载荷在基体与增强体之间的传递，使得作用于基体的有效应力降低，阻止了裂纹的扩展，从而能够大大提高材料的抗拉强度。由于选取的材料密度都比较小，所制备的材料为轻质材料。本发明的主要目的就是开发轻质、低膨胀和一定强度的复合材料及制备方法，主要应用在航天器领域，开发的新材料能够提高航空航天器的有效载荷，满足工作环境变化对材料性能稳定性的要求。

本发明所涉及的一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料及其制备方法，具有以下特点：密度<2.7g/cm³，热膨胀系数在7～9×10^-6/℃，抗拉强度>230MPa，且具有一定的抗腐蚀性。此方法解决了传统材料热膨胀系数与密度及力学性能之间的矛盾，可以满足航空航天器领域对尺寸稳定性及重量的要求。

具体实施方式

实施例1

本实施例的一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料的组成成分及重量百分比为：SiC 26%，Si 33%，Mg 2%，余量为Al及不可避免的杂质。

本实施例的具体制备方法如下步骤：

（2）采用真空湿法高能球磨法对SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末进行混料，以无水乙醇为介质，时间为4h，转速为230r/min，混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干燥；

（3磨具内壁涂抹质量分数为40%的无水乙醇和质量分数为60%的刚玉粉，刚玉粉平均粒度为5μm；将混合好的原料粉末装入磨具中，当真空度达到3×10^-2Pa时，以5℃/min的速度加热，温度达到540℃，施加120MPa的压力，540℃保温3h，然后随炉冷却，保压至温度降到100℃。

本实施例的性能参数：50℃～100℃之间的热膨胀系数为8.7×10^-6/℃，密度为2.65 g/cm³，室温抗拉强度为238MPa。

实施例2

本实施例的一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料的组成成分及重量百分比为：SiC 27%，Si 29%，Mg 1.9%，余量为Al及不可避免的杂质。

本实施例的具体制备方法如下步骤：

（2）采用真空湿法高能球磨法对SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末进行混料，以无水乙醇为介质，时间为3h，转速为250r/min，混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干燥；

（3）磨具内壁涂抹质量分数为40%的无水乙醇和质量分数为60%的刚玉粉，刚玉粉平均粒度为5μm；将混合好的原料粉末装入磨具中，当真空度达到3×10^-2Pa时，以5℃/min的速度加热，温度达到550℃，施加120MPa的压力，550℃保温3h，然后随炉冷却，保压至温度降到100℃。

本实施例的性能参数：50℃～100℃之间的热膨胀系数为8.5×10^-6/℃，密度为2.68 g/cm³，室温抗拉强度为247MPa。

实施例3

本实施例的一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料组成成分及重量百分比为：SiC 30%，Si 28%，Mg 1.8%，余量为Al及不可避免的杂质。

本实施例的具体制备方法如下步骤：

（2）采用真空湿法高能球磨法对SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末进行混料，以无水乙醇为介质，时间为5h，转速为240r/min，混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干燥；

（3）磨具内壁涂抹质量分数为40%的无水乙醇和质量分数为60%的刚玉粉，刚玉粉平均粒度为5μm；将混合好的原料粉末装入磨具中，当真空度达到3×10^-2Pa时，以5℃/min的速度加热，温度达到560℃，施加120MPa的压力，560℃保温3h，然后随炉冷却，保压至温度降到100℃。

本实施例的性能参数：50℃～100℃之间的热膨胀系数为7.9×10^-6/℃，密度为2.69 g/cm³，室温抗拉强度为234MPa。

Claims

1.一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料，其特征在于，所述的复合材料由以下重量百分含量的化学成分组成：SiC23～35％，Si25～35％，Mg1.8～2％，余量为Al及不可避免的杂质；

所述的用于航天器的SiC增强铝基复合材料的制备方法的具体步骤如下：

(1)首先采用体积分数为10％的HF浸泡SiC粉末，时间为2h，再用蒸馏水清洗，真空抽滤，烘干；然后对SiC粉末进行1100℃高温焙烧，保温3h；对Al-30Si粉末进行无水乙醇超声波震荡清洗，时间为10min，再用蒸馏水清洗，真空抽滤，烘干；

(2)采用真空湿法高能球磨法对SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末进行混料，以无水乙醇为介质，时间为3～5h，转速为230～250r/min，混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干燥；

(3)将混好的原料装入模具中，当真空度达到3×10^-2Pa时，以5℃/min的速度加热，温度达到540～560℃，施加120MPa的压力，保温3h，然后随炉冷却，保压至温度降低到100℃。

2.根据权利要求1所述的用于航天器的SiC增强铝基复合材料，其特征在于，所述的SiC粉末为立方晶体β-SiC，粒度为15～30μm，镁粉粒度为3～5μm，Al-30Si粉末粒度为5～8μm。

3.一种如权利要求1所述的用于航天器的SiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的用于航天器的SiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的模具内壁涂抹质量分数为40％的无水乙醇和质量分数为60％的刚玉粉。

5.根据权利要求4所述的用于航天器的SiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的刚玉粉平均粒度为5μm。