CN104726734B

CN104726734B - 碳化硅增强铝基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN104726734B
Application number: CN201310713822.XA
Authority: CN
Inventors: 姚秀敏; 刘学建; 黄政仁; 陈忠明
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: CN104726734A

Abstract

本发明公开了一种制备SiC/Al复合材料的方法。该方法为：将氧化铝和/或氧化硅粉末和分散剂用球磨介质球磨，再加入粘结剂继续球磨得到涂敷浆料；其中，粉末：分散剂：水：球磨介质：粘结剂的质量比为1:0.005～0.01:0.1～0.4:2:0.01～0.03；将网眼多孔SiC陶瓷浸入涂敷浆料中充分吸收、离心并干燥之；再将二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷埋入铝或铝合金粉中，抽真空升温将铝或铝合金熔化后，通入氩气，保温保压得到SiC/Al复合材料。由本发明方法得到的SiC/Al复合材料为双连续相，通过控制涂敷浆料的组成与性能，达到控制界面结构和界面反应的目的，实现碳化硅基体与金属Al之间的强结合且在三维空间均匀连续分布，避免了碳化硅增强体的偏聚与不连续，提高复合材料性能。

Description

碳化硅增强铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种碳化硅增强铝基复合材料的制备方法及得到的碳化硅增强铝基复合材料。

背景技术

碳化硅增强铝基(SiC/Al)复合材料由于比强度高、比刚度高、热膨胀系数低、导热性能好、导电性能佳及耐磨损等优异性能，是金属基复合材料中研究最多、应用前景最广的材料之一。从20世纪80年代开始，世界各国竞相开展碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料研究。目前，欧美等国家已率先实现其在航空航天、军事、电子封装等尖端领域的应用，并逐步向民用领域扩展，取得了很好的社会效益和经济效益。

SiC/Al复合材料虽然性能优越，但其制备过程主要存在以下两个方面的难题：一方面陶瓷增强体难以均匀分散在铝基体中，在复合材料承受机械载荷或者热应力时，容易造成局部过高的应力集中，从而降低复合材料整体的力学性能；另一方面SiC和Al的润湿性差，两相界面难以控制，导致复合材料性能低。二者均严重制约了复合材料的应用。

针对增强体难以均匀分散的难题，研究者们发展了离心铸造、加强搅拌、原位复合、SiC颗粒预先成型制备出微孔SiC体再渗Al等工艺方法。上述方法虽然在一定程度上解决了增强体的偏聚问题，但均存在局限性。如离心铸造法制备的产品形状尺寸受限通常只能为筒环状；加强搅拌法易导致半固态金属液中的气体和夹杂物不易排除；原位复合法在增强相的均化和控制有害化合物生成等方面还不成熟；SiC颗粒预先成型制备出微孔SiC再渗Al的方法在解决增强体不均匀方面具有显著的优势，但SiC增强体仍为单颗粒分布，在后续机械加工和使用过程中仍然不能避免增强体易脱落的普遍难题。

为了改善SiC与Al两相材料的润湿性，研究者们开发出了在金属基体中添加合金元素、提高液态金属温度等技术。但该技术在提高制备成本的同时，存在引入不必要的合金元素或牺牲复合材料的性能为代价，且两相润湿效果并不十分明显。虽也有对SiC颗粒表面进行氧化处理、SiC颗粒表面进行涂层、SiC颗粒表面进行氟化物处理等技术而改善两相润湿性并减少有害界面反应，但均存在生产制备成本高且界面反应不易控制等难题。

近年来，三维网络结构的SiC陶瓷增强Al基复合材料由于易克服增强体分布不均的难题而得到人们的关注与研究。目前，美国的西北大学通过木材裂解多孔碳渗硅再渗Al合金制备出50vol%SiC/50vol%Al复合材料。国内，西安交大采用SiC网眼多孔陶瓷无压浸渗工艺，通过在金属熔体中引入合金元素Si和Mg，制备出三维SiC结构增强的Al基复合材料。沈阳金属所使用挤压铸造法，制备出不同结构的SiC泡沫增强双连续相复合材料。合肥工大采用压渗法，通过陶瓷骨架表面均匀涂敷K₂ZrF₆助渗剂，制备出SiC/Al双连续相复合材料。

发明内容

本发明针对现有技术中SiC增强体难以分散均匀且SiC与Al两相界面难以控制的技术问题，目的在于提供一种新的制备SiC增强Al基复合材料的方法。

本发明的制备SiC/Al复合材料的方法具体包括如下步骤：

步骤A)将氧化物粉末和分散剂加入水中，用球磨介质球磨0.5～3小时，再加入粘结剂，继续球磨2～5小时得到涂敷浆料；其中，所述的氧化物粉末为氧化铝和/或氧化硅，氧化物粉末：分散剂：水：球磨介质：粘结剂的质量比为1:0.005～0.01:0.1～0.4:2:0.01～0.03；

步骤B)将网眼多孔SiC陶瓷浸入涂敷浆料中，经充分吸收涂敷浆料后，离心去除多余的涂敷浆料并干燥得到二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷；

步骤C)将二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷埋入铝或铝合金粉中，抽真空至真空度10Pa以下，然后再升温至500～1100℃将铝或铝合金熔化后，通入氩气至压强为0.1～0.8MPa，保温保压0.5～3小时，得到SiC/Al复合材料。

本发明的SiC/Al复合材料中的改性层使用与制备网眼多孔SiC陶瓷的烧结助剂组分（Al₂O₃-SiO₂）相同的氧化物Al₂O₃和/或SiO₂，使其参与网眼多孔SiC陶瓷烧结致密化过程，达到阻碍SiC与Al接触，保护增强体的目的，且与增强体产生强的结合；或者一并加入少量的镁，使其与Al₂O₃和/或SiO₂层及网眼多孔SiC陶瓷外层内部发生反应生成镁铝尖晶石界面相，改善与浸渍Al液的润湿性能，同时避免金属基体中引入大量的合金。然后再通过真空压力浸渍Al溶液工艺，制备出SiC与Al在三维空间互穿且连续的高性能SiC/Al复合材料。

步骤A)中，较佳地是，步骤A)得到的涂敷浆料的固含量为60～85wt%；所述分散剂为聚丙烯酸、聚丙烯酸氨、聚丙烯酸钠和/或硅溶胶；所述的球磨介质为碳化硅球；所述的粘结剂为聚乙烯醇和/或羧甲基纤维素。

步骤B)中，较佳地是，所述的干燥为自然干燥或30～100℃烘箱中干燥。

在本发明的一较佳实施例中，步骤A)为将氧化物粉体和分散剂加入水中，用球磨介质球磨0.8～1.5小时优选1小时，再加入粘结剂，继续球磨2.5～3.5小时优选3小时得到涂敷浆料；步骤C)为将二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷埋入铝或铝合金粉中，抽真空至真空度0.1～5Pa，再升温至900～1000℃将铝或铝合金熔化后，通入氩气至压强为0.5～0.6MPa，保温保压1～1.5小时，得到SiC增强Al基复合材料。

步骤C)中较佳地是，所述的铝合金如为镁铝合金。

步骤B)中所述的网眼多孔SiC陶瓷是由以下方法制备得到的：将具有三维网状结构和连通气孔且孔尺寸为10ppi的聚氨酯海绵用酸碱处理后，用陶瓷浆料对其进行表面改性处理，干燥后在900℃预烧制得网眼陶瓷预制体；然后再用70%的陶瓷浆料对网眼陶瓷预制体进行涂覆，干燥后在1300℃烧成网眼多孔SiC陶瓷；其中所述的陶瓷浆料的粉体原料包括：50～80wt%的碳化硅、4～20wt%的滑石粉、9～25wt%的苏州土、3～15wt%的氧化铝和3wt%的硅溶胶，其中wt%是以粉体原料计。该陶瓷浆料还可以包括膨润土、羧甲基纤维素和消泡剂等。具体制备工艺见CN200410067101.7。

本发明的另一目的在于提供一种本发明的方法制得的SiC/Al复合材料。

本发明的SiC/Al复合材料是双连续相，显著特征之一在于改性所采用的涂敷浆料由氧化物组成，与网眼多孔SiC陶瓷具有相同组分，两者之间的润湿性好，界面结合强度高；从而本发明可以通过控制涂敷浆料的组成与性能，达到控制界面结构和界面反应的目的，实现碳化硅基体与金属之间的强结合；本发明的另一个显著特征在于，采用真空压力浸渍铝工艺制备出SiC/Al复合材料，具有结合强度高的优点，碳化硅相与Al相之间强结合且在三维空间均匀连续分布，避免了碳化硅增强体的偏聚与不连续，提高SiC/Al复合材料的性能。

附图说明

图1是网眼多孔SiC陶瓷形貌图；

图2A是用SiO₂涂敷浆料二次涂敷制得的SiC/Al复合材料宏观形貌图；

图2B是用SiO₂涂敷浆料二次涂敷制得的SiC/Al复合材料界面形貌图；

图3A是用Al₂O₃涂敷浆料二次涂敷制得的SiC/Al复合材料宏观形貌图；

图3B是用Al₂O₃涂敷浆料二次涂敷制得的SiC/Al复合材料界面形貌图。

具体实施方式

陶瓷浆料的组成及用量：44.8wt%的碳化硅和5.1wt%的滑石粉，9.9wt%的苏州土，6.3wt%的氧化铝、3wt%的硅溶胶和30.9wt%的水，其中wt%以粉体原料和水的总重量计，即以陶瓷浆料计。上述组份经砂磨机搅拌3小时制得陶瓷浆料。

选用具有三维网状结构和连通气孔的聚氨酯海绵为骨架，孔尺寸大约分别为10PPI。聚氨酯海绵依次用1.5M盐酸和1.5M氨水各处理1小时，再用陶瓷浆料涂敷进行表面改性处理，然后经900℃预烧得到网眼陶瓷预制体。然后再用70%的陶瓷浆料对网眼陶瓷预制体进行涂覆，干燥后在1300℃烧成网眼多孔SiC陶瓷。所得到的网眼多孔SiC陶瓷的结构如图1所示。

由图1可知，所制备的网眼多孔SiC陶瓷的宏观结构均匀，基本不存在堵孔，并且制得的网眼多孔体的孔筋厚度均匀，不存在细的孔筋和孔筋裂纹。

实施例1

步骤A)将氧化硅粉末、聚丙烯酸氨分散剂和水用球磨介质球磨1小时，再加入羧甲基纤维素粘结剂，继续球磨3小时得到固含量为80wt%的涂敷浆料；其中，氧化铝粉末：分散剂：水：球磨介质：粘结剂的质量比为1:0.005:0.25:2:0.01。

步骤B)将网眼多孔SiC陶瓷浸入涂敷浆料中，经充分吸收涂敷浆料后，600rpm下离心去除多余的涂敷浆料，自然干燥得到二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷。

步骤C)将二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷埋入镁铝合金粉中，抽真空至5Pa，然后再升温至900℃将镁铝合金粉全部熔化后，通入氩气至压强为0.6MPa，保温保压1小时，然后随炉降温得到SiC/Al复合材料。所得SiC/Al复合材料形貌如图2A和图2B所示。

由图2可知，SiC、Al相均在三维网络中连续分布且二者界面结合牢固。

实施例2

步骤A)将氧化铝粉末和聚丙烯酸钠分散剂加入水中，用球磨介质球磨1小时，再加入聚乙烯醇粘结剂，继续球磨3小时得到固含量为70wt%的涂敷浆料；其中，氧化铝粉末：分散剂：水：球磨介质：粘结剂的质量比为1:0.01:0.4:2:0.02。

步骤B)将网眼多孔SiC陶瓷浸入涂敷浆料中，经充分吸收涂敷浆料后，500rpm离心去除多余的涂敷浆料，自然干燥得到二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷。

步骤C)将二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷埋入铝粉中，抽真空至3pa，然后再升温至1000℃将铝粉全部熔化后，通入氩气至压强为0.6MPa，保温保压1.5小时，然后随炉降温得到SiC/Al复合材料。所得SiC/Al复合材料形貌如图3A和图3B所示。

由图3可知，SiC、Al相均在三维网络中连续分布且二者界面结合牢固。

Claims

1.一种制备SiC增强Al基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤A)将氧化物粉末和分散剂加入水中，用球磨介质球磨0.5～3小时，再加入粘结剂，继续球磨2～5小时得到涂敷浆料；其中，所述的氧化物粉末为氧化铝和/或氧化硅，氧化物粉末∶分散剂∶水∶球磨介质∶粘结剂的质量比为1∶0.005～0.01∶0.1～0.4∶2∶0.01～0.03；

步骤C)将二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷埋入铝或铝合金粉中，抽真空至真空度10Pa以下，然后再升温至500～1100℃将铝或铝合金熔化后，通入氩气至压强为0.1～0.8MPa，保温保压0.5～3小时，得到SiC增强Al基复合材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A)得到的涂敷浆料的固含量为60～85wt％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A)中，所述分散剂为聚丙烯酸、聚丙烯酸氨、聚丙烯酸钠和/或硅溶胶；所述的球磨介质为碳化硅球；所述的粘结剂为聚乙烯醇和/或羧甲基纤维素。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤B)中，所述的干燥为自然干燥或30～100℃烘箱中干燥。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤A)为将氧化物粉体和分散剂加入水中，用球磨介质球磨0.8～1.5小时，再加入粘结剂，继续球磨2.5～3.5小时得到涂敷浆料；

步骤C)为将二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷埋入铝或铝合金粉中，抽真空至真空度0.1～5Pa，再升温至900～1000℃将铝或铝合金熔化后，通入氩气至压强为0.5～0.6MPa，保温保压1～1.5小时，得到SiC增强Al基复合材料。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤B)中所述的网眼多孔SiC陶瓷是由以下方法制备得到的：将具有三维网状结构和连通气孔且孔尺寸为5～25ppi的聚氨酯海绵用酸碱处理后，用固含量75～85wt％陶瓷浆料对其进行表面改性处理，干燥后在900℃预烧制得网眼陶瓷预制体；然后再用固含量60～75wt％的陶瓷浆料对网眼陶瓷预制体进行涂覆，干燥后在1300℃烧成网眼多孔SiC陶瓷；其中所述的陶瓷浆料的粉体原料包括：50～80wt％的碳化硅、4～20wt％的滑石粉、9～25wt％的苏州土、3～15wt％的氧化铝、3wt％的硅溶胶。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤A)为将氧化物粉体和分散剂加入水中，用球磨介质球磨1小时，再加入粘结剂，继续球磨3小时得到涂敷浆料。

8.权利要求1所述的方法制得的SiC增强Al基复合材料。