CN106086726A - SiC纳米线增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

SiC纳米线增强铝基复合材料及其制备方法，它涉及铝基复合材料及其制备方法。它要解决现有SiC纳米线增强铝基复合材料的制备存在工艺复杂、成本高和耗时长的问题。SiC纳米线增强铝基复合材料由SiC纳米线和铝金属制成。方法：一、称料；二、制备SiC纳米线预制体；三、制备预热的SiC纳米线预制体；熔融铝金属；四、液态铝浸渗，冷却，脱模，得到铸锭，即完成。本发明中SiC纳米线预分散和预制体成型一步法工艺，缩短了工艺流程，耗时缩短为1天，提高了复合材料的制备效率，且成本降低。本发明中低表面张力和大外部压力结合的方法，促进液态Al的浸渗。制备方法简单、易操作、易控制，所得材料具有密度低、致密度高的特点。

Description

SiC纳米线增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，纳米金属基复合材料凭借其超高的强化效果，在金属基复合材料的研究中占据了重要的地位。目前在纳米金属基复合材料中引入的增强体包括纳米级陶瓷颗粒、碳纳米管、纳米线和石墨烯等。为了保证充分发挥增强体的强化作用，提高纳米金属基复合材料的性能优势，需要加入较高含量的纳米增强体；但是高含量的纳米金属基复合材料却一直面临两个主要难题，第一是纳米增强体的表面能很大，极其容易团聚，很难像微米级增强体一样将其均匀的分散在基体中，而增强体的团聚会显著降低其强化效果，影响复合材料的各方面的性能；第二是纳米增强体与金属基体的界面润湿性能一般较差，而纳米增强体之间的间隙随着其含量的增加而减少，而纳米增强体之间的微米、亚微米甚至是纳米级别的空隙很难被金属基体完全填充，导致直接成型的高含量纳米金属基复合材料的致密度一般较低，同样制约了纳米相的强化效果。

目前用于制备纳米铝基复合材料的方法，主要分为固相法(各种粉末冶金技术，搅拌摩擦焊以及最新的放电等离子烧结(SPS)法等)和液相法(包括挤压铸造，搅拌铸造，无压浸渗，喷射沉积等)。固相法是在合金熔点以下进行合成的，制备温度相对较低，不易发生界面反应，但是由于工艺限制，固相法更适合于制备低含量的纳米复合材料(增强体的含量低于5wt.％或5vol.％)。当增强体含量较高时，难以致密化，并且增强体易于团聚。相对于固相法，液相法可以制备高致密度的复合材料，同时增强体的含量可以较高(>10vol.％)，预期可获得更高的增强效果。

SiC纳米线由于其各种优异的性能且不易于基体发生界面反应，也成为复合材料理想的增强体。目前采用SiC纳米线增强铝基复合材料的文献报道还较少。T.Jintakosol等采用超声波分散SiC纳米线，然后采用粉末冶金法制备了体积分数5％-15％的SiC纳米线增强纯铝复合材料，其复合材料的密度2.487g/cm³-2.636g/cm³，低于纯Al和SiC的密度(分别为2.702g/cm³和3.21g/cm³)，说明其材料的致密性较差；Yang等人采用超声波首先分散SiC纳米线浆料，然后采用压力浸渗法制备了复合材料，材料致密度较高(>97％)，SiC纳米线与Al基体界面结合良好且其弯曲强度超过了1000MPa，并具有良好的加工性能和一定的塑性。这说明压力浸渗法适合于制备SiC纳米线增强铝基复合材料。但是目前文献报导的方法中，为了提高SiC纳米线的分散均匀性，通常需要对SiC纳米线进行预分散处理。例如T.Jintakosol等采用的是超声波分散SiC纳米线浆料加机械搅拌分散的方式，而Yang等人采用的是超声波分散SiC纳米线浆料的方式。这种预分散处理会提高SiC纳米线的分散均匀性，但是工艺复杂，提高了材料制备成本，且超声波分散所用的乙醇溶剂挥发需要2-3天的时间，致使工艺耗时较长，效率低。

发明内容

本发明目的是为了解决现有SiC纳米线增强铝基复合材料的制备存在工艺复杂、成本高和耗时长的问题，而提供SiC纳米线增强铝基复合材料及其制备方法。

本发明SiC纳米线增强铝基复合材料，按体积分数由5％～35％的SiC纳米线和65％～95％的铝金属制成；所述铝金属为纯铝或铝合金。

制备上述SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，按以下步骤实现：

一、称料：按体积分数称取5％～35％的SiC纳米线和65％～95％的铝金属；

二、SiC纳米线自分散/预制体成型一体化：将步骤一称取的SiC纳米线装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.1～3mm/min，加压至4～8MPa并保压30～60min，得到SiC纳米线预制体；

三、预热：将步骤二得到的SiC纳米线预制体带模具移至加热炉中，将加热炉的温度从室温升温至400～660℃并保温5～8h，得到预热的SiC纳米线预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属加热至熔点以上250～350℃，得到熔融的铝金属；

四、液态铝浸渗：将步骤三中所得预热的SiC纳米线带模具置于压力机台面上，然后将步骤三所得熔融的铝金属倒入模具内预热的SiC纳米线预制体的上面，再施加100～150MPa的压力，浸渗的速度为1～3mm/s，待熔融的铝金属完全浸渗到预热的SiC纳米线预制体中，以20～40℃/min的速度冷却至室温，冷却后脱模，得到铸锭，即为SiC纳米线增强铝基复合材料；

其中步骤一中铝金属为纯铝或铝合金。

本发明的有益效果：

1、本发明给出了一种SiC纳米线预分散和预制体成型一步法工艺，不需要对SiC纳米线进行预分散处理。通过控制预制块制备过程中的加压速度、压力和保压时间，使SiC纳米线在稳定的压力下通过长时间的自我变形、错动，实现SiC纳米线的自分散；缩短了工艺流程，耗时缩短为1天，提高了复合材料的制备效率，且成本降低。

2、本发明给出了一种低表面张力和大外部压力结合的方法，解决了纳米增强体与Al基体润湿性较差，难以充分浸渗的问题，采用提高铝合金的熔化温度的方式，降低Al合金的表面张力，同时通过强制加载大的压力的方式，促进液态Al的浸渗；

3、本发明制备的SiC纳米线增强铝基复合材料中SiC纳米线含量为5％～35％，密度为2.69g/cm³～2.85g/cm³，致密度大于97％，弹性模量在80GPa～145GPa，弯曲强度在600MPa～1400MPa，屈服强度在110MPa～450MPa，拉伸强度在180MPa～700MPa，延伸率在0.2～2.5。

4、本发明提供了一种制备SiC纳米线增强铝基复合材料制备方法，制备方法简单、易操作、工艺容易控制，制备出的SiC纳米线增强铝基复合材料具有密度低、致密度高、SiC纳米线分布均匀、力学性能良好、机械加工容易等性能特点。

附图说明

图1为实施例1中所得SiC纳米线增强铝基复合材料的微观组织图片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式SiC纳米线增强铝基复合材料，按体积分数由5％～35％的SiC纳米线和65％～95％的铝金属制成；所述铝金属为纯铝或铝合金。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同是，所述SiC纳米线增强铝基复合材料，按体积分数由10％的SiC纳米线和90％的铝金属制成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同是，所述SiC纳米线增强铝基复合材料，按体积分数由20％的SiC纳米线和80％的铝金属制成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同是，所述SiC纳米线的纯度大于85％，平均直径为5～250nm，长度为5～100μm；所述有SiC纳米线为3C、2H、4H、6H中的一种或几种的任意比组合。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同是，所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Be合金、Al-Li合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或几种的组合；所述Al-Si合金中Si的质量分数为0.5％～25％；所述Al-Cu合金中Cu的质量分数为0.5％～53％；所述Al-Mg合金中Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Be合金中Be的质量分数为0.5％～20％；Al-Li合金中Li的质量分数为0.5％～35％；Al-Si-Cu-Mg合金Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式制备SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，按以下步骤实现：

一、称料：按体积分数称取5％～35％的SiC纳米线和65％～95％的铝金属；

二、SiC纳米线自分散/预制体成型一体化：将步骤一称取的SiC纳米线装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.1～3mm/min，加压至4～8MPa并保压30～60min，得到SiC纳米线预制体；

三、预热：将步骤二得到的SiC纳米线预制体带模具移至加热炉中，将加热炉的温度从室温升温至400～660℃并保温5～8h，得到预热的SiC纳米线预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属加热至熔点以上250～350℃，得到熔融的铝金属；

四、液态铝浸渗：将步骤三中所得预热的SiC纳米线带模具置于压力机台面上，然后将步骤三所得熔融的铝金属倒入模具内预热的SiC纳米线预制体的上面，再施加100～150MPa的压力，浸渗的速度为1～3mm/s，待熔融的铝金属完全浸渗到预热的SiC纳米线预制体中，以20～40℃/min的速度冷却至室温，冷却后脱模，得到铸锭，即为SiC纳米线增强铝基复合材料；

其中步骤一中铝金属为纯铝或铝合金。

本实施方式步骤二中冷压的过程中，加压的目的是使SiC纳米线团簇在压力作用下打开；保压的目的是使SiC纳米线在稳定的压力下通过长时间的自我变形、错动，实现SiC纳米线的自分散。

本实施方式步骤三中铝金属由于熔融温度较高，液态铝的流动性较好，与SiC纳米线的润湿性能也得到改善，有利于后期复合材料制备；

本实施方式步骤四中施加100～150MPa的压力，浸渗的速度为1～3mm/s，是通过大量的实验最终选定的参数，能够确保熔融的铝金属充分浸渗到SiC纳米线间的微米、亚微米甚至是纳米间隙。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是，步骤一中按体积分数称取15％的SiC纳米线和85％的铝金属。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是，步骤一中SiC纳米线的纯度大于85％，平均直径为5～250nm，长度为5～100μm；所述有SiC纳米线为3C、2H、4H、6H中的一种或几种的任意比组合。其它步骤及参数与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是，步骤一中铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Be合金、Al-Li合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或几种的组合；所述Al-Si合金中Si的质量分数为0.5％～25％；所述Al-Cu合金中Cu的质量分数为0.5％～53％；所述Al-Mg合金中Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Be合金中Be的质量分数为0.5％～20％；Al-Li合金中Li的质量分数为0.5％～35％；Al-Si-Cu-Mg合金Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。其它步骤及参数与具体实施方式六至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是，步骤二中加压速度为1mm/min，加压至5MPa并保压40min。其它步骤及参数与具体实施方式六至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是，步骤三中将加热炉的温度从室温升温至500℃并保温6h。其它步骤及参数与具体实施方式六至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六至十一之一不同的是，步骤三中在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属加热至熔点以上300℃。其它步骤及参数与具体实施方式六至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六至十二之一不同的是，步骤三中保护气氛为氮气、氩气或氦气。其它步骤及参数与具体实施方式六至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六至十三之一不同的是，步骤四中施加120MPa的压力，浸渗的速度为2mm/s。其它步骤及参数与具体实施方式六至十三之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式六至十四之一不同的是，步骤四中以30℃/min的速度冷却至室温。其它步骤及参数与具体实施方式六至十四之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，按以下步骤实现：

一、称料：按体积分数称取15％的SiC纳米线和85％的铝金属；

二、SiC纳米线自分散/预制体成型一体化：将步骤一称取的SiC纳米线装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.5mm/min，加压至6MPa并保压45min，得到SiC纳米线预制体；

三、预热：将步骤二得到的SiC纳米线预制体带模具移至加热炉中，将加热炉的温度从室温升温至450℃并保温5h，得到预热的SiC纳米线预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属在温度为920℃的条件下加热至熔化，得到熔融的铝金属；

四、液态铝浸渗：将步骤三中所得预热的SiC纳米线带模具置于压力机台面上，然后将步骤三所得熔融的铝金属倒入模具内预热的SiC纳米线预制体的上面，再施加110MPa的压力，浸渗的速度为1.2mm/s，待熔融的铝金属完全浸渗到预热的SiC纳米线预制体中，以25℃/min的速度冷却至室温，冷却后脱模，得到铸锭，即为SiC纳米线增强铝基复合材料。

本实施例中SiC纳米线为3C型，平均直径为200nm，长度为10～50μm；铝金属为Al-Si-Mg合金，其中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％。

本实施例中制备所得SiC纳米线增强铝基复合材料，从图1中可以看出复合材料致密性好，只有很少量的孔洞；此外SiC纳米线地复合材料中的分布较均匀，没有明显的团聚现象。

本实施例中制备所得SiC纳米线增强铝基复合材料，经检测，其密度为2.74g/cm³，致密度为98.9％，弹性模量为99GPa，弯曲强度在1100MPa，屈服强度在354MPa，拉伸强度在430MPa，延伸率在0.9。

实施例2

SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，按以下步骤实现：

一、称料：按体积分数称取25％的SiC纳米线和75％的铝金属；

二、SiC纳米线自分散/预制体成型一体化：将步骤一称取的SiC纳米线装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为2.7mm/min，加压至MPa并保压53min，得到SiC纳米线预制体；

三、预热：将步骤二得到的SiC纳米线预制体带模具移至加热炉中，将加热炉的温度从室温升温至520℃并保温6h，得到预热的SiC纳米线预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属在温度950℃的条件下加热至熔化，得到熔融的铝金属；

四、液态铝浸渗：将步骤三中所得预热的SiC纳米线带模具置于压力机台面上，然后将步骤三所得熔融的铝金属倒入模具内预热的SiC纳米线预制体的上面，再施加140MPa的压力，浸渗的速度为1.5mm/s，待熔融的铝金属完全浸渗到预热的SiC纳米线预制体中，以30℃/min的速度冷却至室温，冷却后脱模，得到铸锭，即为SiC纳米线增强铝基复合材料。

本实施例中SiC纳米线纯度为97.2％，为6H型SiC纳米线；SiC纳米线的平均直径为200nm，长度为10μm～50μm；铝金属为Al-Si-Mg合金，其中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％。

本实施例中制备所得SiC纳米线增强铝基复合材料，经检测，其密度为2.76g/cm³，致密度为97.9％，弹性模量为134GPa，弯曲强度在1170MPa，屈服强度在403MPa，拉伸强度在461MPa，延伸率在0.5。

实施例3

SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，按以下步骤实现：

一、称料：按体积分数称取5％的SiC纳米线和95％的铝金属；

二、SiC纳米线自分散/预制体成型一体化：将步骤一称取的SiC纳米线装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.2mm/min，加压至4.3MPa并保压35min，得到SiC纳米线预制体；

三、预热：将步骤二得到的SiC纳米线预制体带模具移至加热炉中，将加热炉的温度从室温升温至560℃并保温7h，得到预热的SiC纳米线预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属在温度980℃的条件下加热至熔化，得到熔融的铝金属；

四、液态铝浸渗：将步骤三中所得预热的SiC纳米线带模具置于压力机台面上，然后将步骤三所得熔融的铝金属倒入模具内预热的SiC纳米线预制体的上面，再施加120MPa的压力，浸渗的速度为2.3mm/s，待熔融的铝金属完全浸渗到预热的SiC纳米线预制体中，以35℃/min的速度冷却至室温，冷却后脱模，得到铸锭，即为SiC纳米线增强铝基复合材料。

本实施例中SiC纳米线纯度为97.2％，为3C型SiC纳米线；SiC纳米线的平均直径为200nm长度为10μm～50μm；铝金属为纯Al合金(1199合金)。

本实施例中制备所得SiC纳米线增强铝基复合材料，经检测，其密度为2.73g/cm³，致密度为98.5％，弹性模量为81GPa，弯曲强度在450MPa，屈服强度在160MPa，拉伸强度在190MPa，延伸率在8.1。

Claims (10)

1.SiC纳米线增强铝基复合材料，其特征在于它按体积分数由5％～35％的SiC纳米线和65％～95％的铝金属制成；所述铝金属为纯铝或铝合金。

2.根据权利要求1所述的SiC纳米线增强铝基复合材料，其特征在于所述SiC纳米线的纯度大于85％，平均直径为5～250nm，长度为5～100μm；所述有SiC纳米线为3C、2H、4H、6H中的一种或几种的任意比组合。

3.根据权利要求1所述的SiC纳米线增强铝基复合材料，其特征在于所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Be合金、Al-Li合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或几种的组合；所述Al-Si合金中Si的质量分数为0.5％～25％；所述Al-Cu合金中Cu的质量分数为0.5％～53％；所述Al-Mg合金中Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Be合金中Be的质量分数为0.5％～20％；Al-Li合金中Li的质量分数为0.5％～35％；Al-Si-Cu-Mg合金Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。

4.制备如权利要求1所述SiC纳米线增强铝基复合材料的方法，其特征在于它按以下步骤实现：

一、称料：按体积分数称取5％～35％的SiC纳米线和65％～95％的铝金属；

二、SiC纳米线自分散/预制体成型一体化：将步骤一称取的SiC纳米线装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.1～3mm/min，加压至4～8MPa并保压30～60min，得到SiC纳米线预制体；

三、预热：将步骤二得到的SiC纳米线预制体带模具移至加热炉中，将加热炉的温度从室温升温至400～660℃并保温5～8h，得到预热的SiC纳米线预制体；在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属加热至熔点以上250～350℃，得到熔融的铝金属；

四、液态铝浸渗：将步骤三中所得预热的SiC纳米线带模具置于压力机台面上，然后将步骤三所得熔融的铝金属倒入模具内预热的SiC纳米线预制体的上面，再施加100～150MPa的压力，浸渗的速度为1～3mm/s，待熔融的铝金属完全浸渗到预热的SiC纳米线预制体中，以20～40℃/min的速度冷却至室温，冷却后脱模，得到铸锭，即为SiC纳米线增强铝基复合材料；

其中步骤一中铝金属为纯铝或铝合金。

5.根据权利要求4所述SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数称取15％的SiC纳米线和85％的铝金属。

6.根据权利要求4所述SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中加压速度为1mm/min，加压至5MPa并保压40min。

7.根据权利要求4所述SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中将加热炉的温度从室温升温至500℃并保温6h。

8.根据权利要求4所述SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属加热至熔点以上300℃。

9.根据权利要求4所述SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中保护气氛为氮气、氩气或氦气。

10.根据权利要求4所述SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中以30℃/min的速度冷却至室温。