CN107034378A - 一种空心氧化铝球/碳化硅协同增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
一种空心氧化铝球/碳化硅协同增强铝基复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，是通过采用空心氧化铝球和不同尺寸微米级碳化硅为增强体，在保证力学性能和低膨胀系数的前提下降低复合材料整体密度。采用空心氧化铝球的目的在于既使用的氧化铝陶瓷强度高的特点，又因为其空心结构，可以最大限度降低整体材料的密度，另外，氧化铝与铝的界面活化能较低，添加碳化硅颗粒后，能够增强复合界面活化能，从而复合材料力学性能更加优越。通过不同颗粒尺寸配比，能够最大限度提高增强体的体积分数，从而提高复合材料力学强度，使铝的韧性和增强体的刚性达到最佳配比。
Description
技术领域
本发明涉及一种空心氧化铝球/碳化硅协同增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
高强轻质的超轻型材料一直是众多重量敏感行业关注的重点，在航空、航天、无人机，高速列车、新能源汽车、船泊、机器人、外骨骼等应用上发挥着重要作用。本发明主要是制备新型氧化铝/碳化硅复合增强铝基复合材料的新一代产品。它是为结构件设计的专用材料，主要是指将铝与空心氧化铝球/碳化硅陶瓷复合成为低密度、高强度和低膨胀系数的封装材料，以解决结构件的高强轻质矛盾。
研究表明，铝基体中可以加入不同种类的增强颗粒，例如碳化硅，氧化铝等，从而具有高的弹性模量、高的潜在理论强度、优异的耐热性和化学稳定性。此类材料密度低、来源广、与铝基体之间界面结合好、无有害界面反应从而被认为是铝基复合材料的良好增强体。因此“Al2O3/Al”复合材料作为典型的理论研究和应用研究体系,其制备和性能研究一直是铝基复合材料的一个重要课题。对于铝基复合材料，其性能主要取决于增强颗粒的体积分数，颗粒尺寸和在基体中的分散程度等因素，铝机体在复合材料中的参与方式也会对复合材料整体性能产生较大影响，一般来说，颗粒体积分数的增加会使复合材料强度及模量提高，同时也伴随着材料塑性的下降。另外增强体体分越高，复合材料的密度越大，制备越困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，解决了现有氧化铝增强铝基复合材料密度高，力学强度低，热膨胀系数高等问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案具体是：
本发明提供的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步、将空心氧化铝球与碳化硅粉料混合均匀，得到混合粉料，所述混合粉料中，所述碳化硅粉料所占质量比为1％-20％；
第二步、将第一步中所得的混合粉料通过热压铸成型法制备空心氧化铝球/碳化硅陶瓷蜡坯；
第三步、将第二步中所得的空心氧化铝球/碳化硅陶瓷蜡坯通过埋粉烧结法制备空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷；
第四步、将第三步中所得的空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷放入差压铸造浸渗炉中，通过1MPa-5MPa的压力将铝合金熔液注入空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷中，最后经过热处理退火，制备得到空心氧化铝球/碳化硅/铝基复合材料。
优选地，第一步中，所述空心氧化铝球的球径为0.05-2mm。
优选地，第一步中，所述碳化硅粉料是由粒径为8-12um的碳化硅粉、粒径为40-50um的碳化硅粉和粒径为70-90um的碳化硅粉按照质量比为1:1:1混合而成。
优选地，第二步中，在进行热压铸成型前，将石蜡、蜂蜡和油酸混合加热融化，搅拌均匀后加入第一步中所得的混合粉料，继续搅拌均匀，最后得到混合液；其中，所述石蜡、蜂蜡、油酸和混合粉料所占质量比分别为8-20％、1-5％、1-5％和75-90％。
优选地，第二步中，所述真空热压铸成型机的工艺参数为：炉温为70℃-90℃，出料口温度为75℃-95℃，炉内压力为0.8MPa。
优选地，第三步中，所述埋粉是由α氧化铝吸附粉和碳化硅粉料按照40:1的质量比混合而成。
优选地，第三步中，将通过埋粉预埋的空心氧化铝球/碳化硅陶瓷蜡坯，放入隧道窑中进行烧结，所述隧道窑的工艺参数为：排胶温度为150℃-600℃，时间为2-3h，烧结温度为800℃-1500℃，时间为2-5h。
优选地，第四步中，在向空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷中注入铝合金熔液时，首先将空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷放入石墨模具中，并进行抽真空处理，使压力达到-0.1MPa。
优选地，所述铝合金熔液的温度为600℃-1000℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，是通过采用空心氧化铝球和不同尺寸微米级碳化硅为增强体，在保证力学性能和低膨胀系数的前提下降低复合材料整体密度。采用空心氧化铝球的目的在于既使用的氧化铝陶瓷强度高的特点，又因为其空心结构，可以最大限度降低整体材料的密度，另外，氧化铝与铝的界面活化能较低，添加碳化硅颗粒后，能够增强复合界面活化能，从而复合材料力学性能更加优越。通过不同颗粒尺寸配比，能够最大限度提高增强体的体积分数，从而提高复合材料力学强度，使铝的韧性和增强体的刚性达到最佳配比。
附图说明
图1为不同烧结温度下复合材料的密度对比图；
图2为不同铝液温度下复合材料抗弯强度对比图；
图3为不同铝液温度下复合材料热膨胀系数对比图；
具体实施方式
本发明主要是为解决目前氧化铝增强铝基复合材料密度高，力学强度低，热膨胀系数高的问题。提供了一种力学强度高，热膨胀系数低，密度极低的复合材料制备方法，可通过以下步骤得到：
第一步、将球径为0.05-2mm的空心氧化铝球与碳化硅粉料混合均匀，得到的混合均匀的粉料记为M1，所述M1中，碳化硅粉料所占质量比为1％-20％；
其中，所述碳化硅粉料是由粒径为8-12um的碳化硅粉、粒径为40-50um的碳化硅粉和粒径为70-90um的碳化硅粉按照质量比为1:1:1混合而成；
第二步、将石蜡、蜂蜡和油酸在80℃-90℃温度中加热融化，搅拌均匀后加入M1，继续搅拌均匀，最后得到混合液M2；其中，所述石蜡、蜂蜡、油酸和M1所占混合液的质量比分别为8-20％、1-5％、1-5％和75-90％；
第三步、将混合液M2放入真空热压铸成型机中，其中，真空热压铸成型机的工艺参数为：炉温为70℃-90℃，出料口温度为75℃-95℃，炉内压力为0.8MPa，同时，在真空热压铸成型机内放置有模具，最终得到产品M3；
第四步、将α氧化铝吸附粉和碳化硅粉料按照40:1的质量比混合均匀形成埋烧粉，在匣钵底部先铺一层，然后将产品M3装入匣钵中，用上述埋烧粉全部掩埋；
第五步、将上述装有产品M3的匣钵放入隧道窑中，设定排胶温度为150℃-600℃，时间为2-3h，烧结温度为800℃-1500℃，时间为2-5h，烧结完成后即得到空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷M4；
第六步、将M4放入特定石墨模具中，并将该石墨模具放入差压铸造浸渗炉内，其中，设定铝合金熔液的温度为600℃-1000℃，接着将石墨模具中的M4抽真空至-0.1MPa，然后以1MPa-5MPa的压力将铝合金熔液注入M4中，冷却热处理后得到M5，即得到空心氧化铝球/碳化硅/铝基复合材料。
通过以上步骤制备所得的空心氧化铝球/碳化硅/铝基复合材料具有力学强度高、力学强度高和热膨胀系数低等特点。
如图1-图3所示，实施例1
第一步、采用球径为0.05～0.5mm的空心氧化铝球与碳化硅粉料混合均匀，得到的混合均匀的粉料记为M1，所述M1中，碳化硅粉料所占质量比为10％；其中，所述碳化硅粉料是由粒径为8um的碳化硅粉、粒径为40um的碳化硅粉和粒径为70um的碳化硅粉按照质量比为1:1:1混合而成；
第二步、将石蜡、蜂蜡和油酸在85℃温度中加热融化，搅拌均匀后加入M1，继续搅拌均匀，最后得到混合液M2；其中，所述石蜡、蜂蜡、油酸和M1所占质量比分别为8％、2％、1％和80％；
第三步、将混合液M2放入真空热压铸成型机中，其中，真空热压铸成型机的工艺参数为：炉温为75℃，出料口温度为80℃，炉内压力为0.8MPa，同时，在真空热压铸成型机内放置有模具，最终得到产品M3；
第四步、将α氧化铝吸附粉和碳化硅粉料按照40:1的质量比混合均匀形成埋烧粉，在匣钵底部先铺一层，然后将产品M3装入匣钵中，用上述埋烧粉全部掩埋；
第五步、将上述装有产品M3的匣钵放入隧道窑中，设定排胶温度为300℃，时间为2h，烧结温度为1000℃，时间为2h，烧结完成后即得到空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷M4；
第六步、将M4放入特定石墨模具中，并将该石墨模具放入差压铸造浸渗炉内，其中，设定铝合金熔液的温度为750℃，接着将石墨模具中的M4抽真空至-0.1MPa，然后以3MPa的压力将铝合金熔液注入M4中，冷却热处理后得到M5，即得到空心氧化铝球/碳化硅/铝基复合材料。
实施例2
与实施例1方法相同，区别在于:
第一步、制备M1时，所述空心氧化铝球的球径为0.5～1.0mm，所述碳化硅粉料所占的质量比为15％；
其中，所述碳化硅粉料是由粒径为9um的碳化硅粉、粒径为45um的碳化硅粉和粒径为75um的碳化硅粉按照质量比为1:1:1混合而成；
实施例3
与实施例1方法相同，区别在于：
第一步、制备M1时,所述空心氧化铝球的球径为1.0～1.5mm，所述碳化硅粉料所占的质量比为1％；
其中，所述碳化硅粉料是由粒径为10um的碳化硅粉、粒径为50um的碳化硅粉和粒径为80um的碳化硅粉按照质量比为1:1:1混合而成；
实施例4
与实施例1方法相同，区别在于：
第一步、制备M1时,所述空心氧化铝球的球径为1.5～2mm，所述碳化硅粉料所占的质量比为20％；
其中，所述碳化硅粉料是由粒径为11um的碳化硅粉、粒径为40um的碳化硅粉和粒径为85um的碳化硅粉按照质量比为1:1:1混合而成；
实施例5
与实施例1区别在于：
第一步，所述碳化硅粉料所占的质量比为5％；
其中，所述碳化硅粉料是由粒径为12um的碳化硅粉、粒径为50um的碳化硅粉和粒径为90um的碳化硅粉按照质量比为1:1:1混合而成；
第二步，在制备M2时，所述石蜡、蜂蜡、油酸和M1所占质量比分别为15％、1％、5％和75％；
实施例6
与实施例1区别在于：
第二步，在制备M2时，所述石蜡、蜂蜡、油酸和M1所占质量比分别为20％、5％、2％和90％；
第三步，在制备M3时，所述真空热压铸成型机的工艺参数为炉温80℃，出料口温度为85℃，炉内压力为0.5MPa；
实施例7
与实施例1区别在于
第五步，在制备M4时，隧道窑中的工艺参数为：排胶温度350℃，时间为2.5h，烧结温度为900℃，时间为3h；
实施例8
与实施例1区别在于
第五步，在制备M4时，隧道窑中的工艺参数为：排胶温度400℃，时间为3h，烧结温度为1100℃，时间为5h；
实施例9
与实施例1区别在于
第六步，在制备M5时，所述铝合金溶液温度为700℃；
实施例10
与实施例1区别在于
第六步，在制备M5时，所述铝合金溶液温度为720℃；
以上实施例旨在于提供一种空心氧化铝球/碳化硅复合增强铝基复合材料的制备方法，其中任何空心球直径的变化，碳化硅尺寸变化，碳化硅含量变化，石蜡含量变化，烧结温度变化，铝液温度变化，注射压力变化均属于此制备方法之列。
Claims (9)
1.一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、将空心氧化铝球与碳化硅粉料混合均匀，得到混合粉料，所述混合粉料中，所述碳化硅粉料所占质量比为1％-20％；
第二步、将第一步中所得的混合粉料通过热压铸成型法制备空心氧化铝球/碳化硅陶瓷蜡坯；
第三步、将第二步中所得的空心氧化铝球/碳化硅陶瓷蜡坯通过埋粉烧结法制备空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷；
第四步、将第三步中所得的空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷放入差压铸造浸渗炉中，通过1MPa-5MPa的压力将铝合金熔液注入空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷中，最后经过热处理退火，制备得到空心氧化铝球/碳化硅/铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第一步中，所述空心氧化铝球的球径为0.05-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第一步中，所述碳化硅粉料是由粒径为8-12um的碳化硅粉、粒径为40-50um的碳化硅粉和粒径为70-90um的碳化硅粉按照质量比为1:1:1混合而成。
4.根据权利要求1所述的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第二步中，在进行热压铸成型前，将石蜡、蜂蜡和油酸混合加热融化，搅拌均匀后加入第一步中所得的混合粉料，继续搅拌均匀，最后得到混合液；其中，所述石蜡、蜂蜡、油酸和混合粉料所占质量比分别为8-20％、1-5％、1-5％和75-90％。
5.根据权利要求1所述的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第二步中，所述真空热压铸成型机的工艺参数为：炉温为70℃-90℃，出料口温度为75℃-95℃，炉内压力为0.8MPa。
6.根据权利要求1所述的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第三步中，所述埋粉是由α氧化铝吸附粉和碳化硅粉料按照40:1的质量比混合而成。
7.根据权利要求6所述的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第三步中，将通过埋粉预埋的空心氧化铝球/碳化硅陶瓷蜡坯，放入隧道窑中进行烧结，所述隧道窑的工艺参数为：排胶温度为150℃-600℃，时间为2-3h，烧结温度为800℃-1500℃，时间为2-5h。
8.根据权利要求1所述的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：第四步中，在向空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷中注入铝合金熔液时，首先将空心氧化铝球/碳化硅泡沫陶瓷放入石墨模具中，并进行抽真空处理，使压力达到-0.1MPa。
9.根据权利要求8所述的一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铝合金熔液的温度为600℃-1000℃。
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