CN108754204B - 碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：获取SiC多孔陶瓷，对所述SiC多孔陶瓷表面进行粗化处理，使其表面粗糙度Ra为0.5‑0.8μm；在粗化处理后的所述SiC多孔陶瓷表面蒸镀Cu，得表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷；将Al合金粉末填充到所述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷的孔隙中，在惰性气体下烧结，即得。经过上述处理，结合机械物理手段和化学冶金手段，综合提升SiC陶瓷与Al合金之间的润湿性和结合力。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷领域，特别是涉及碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法与应用。
背景技术
碳化硅(SiC)陶瓷具有高硬度、高热导、耐磨蚀、抗热震、抗蠕变、抗氧化、低热膨胀系数等优良的性能，是一种重要的结构功能一体化陶瓷材料，在航空航天、化工石油、机械加工等领域有广泛的应用；但SiC陶瓷的成型方法主要有模压成型和等静压成型，不易制备复杂形状的制品，并且由于其硬度高和脆性大，成品的后续加工也非常困难，因此，很多情况下都需要和金属复合后一起使用，常用的为金属Al。
但是，金属Al与SiC陶瓷润湿性差，制备SiC陶瓷/Al复合材料时，促进润湿所需时间长、润湿效果不佳，并且两相界面反应难以控制，导致界面变脆影响复合材料的性能。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种润湿效果好的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法。
本发明提供一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法。
具体技术方案为：
一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料，包括以下步骤：
获取SiC多孔陶瓷，对所述SiC多孔陶瓷表面进行粗化处理，使其表面粗糙度Ra为0.5-0.8μm；
在粗化处理后的所述SiC多孔陶瓷表面蒸镀Cu，得表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷；
将Al合金粉末填充到所述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷的孔隙中，在惰性气体下烧结，即得。
在其中一个实施例中，所述粗化处理包括第一次粗化处理和第二次粗化处理；
所述第一次粗化处理的工艺参数包括：将所述SiC多孔陶瓷置于酸性溶液中，超声10-20min；
所述第二次粗化处理的工艺参数包括：将第一次粗化处理后的所述SiC多孔陶瓷置于碱性溶液中，超声10-20min。
在其中一个实施例中，所述酸性溶液选自HF溶液、H2SO4溶液、HCl溶液和HNO3溶液中的一种或几种；及/或
所述碱性溶液选自NaOH溶液、KOH溶液和Ba(OH)2溶液中的一种或几种。
在其中一个实施例中，所述蒸镀Cu的工艺参数包括：蒸镀速率为1-10g/m2/s，蒸镀时间为60s-240s。
在其中一个实施例中，所述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷中，所述Cu的沉积厚度为10um-200um，优选为100um。
在其中一个实施例中，所述Al合金粉末与所述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷的重量比为：(30-50)：(50-70)。
在其中一个实施例中，所述烧结的工艺参数包括：烧结温度为600-1500℃；烧结时间为5-10h。
在其中一个实施例中，所述SiC多孔陶瓷的孔径为10PPI-30PPI。(PPI为每平方英寸孔的个数)
本发明还提供上述制备方法制得的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料。
本发明还提供一种制动闸片，其原料包括上述碳化硅增强铝基复合陶瓷材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
上述碳化硅增强铝基复合陶瓷材料，以SiC多孔陶瓷为原料，通过粗化处理使其表面达到特定的粗糙度，与铝合金之间可形成有效地机械咬合；再蒸镀金属铜，将铜均匀的沉积在具有特定粗糙度的SiC多孔陶瓷表面，控制SiC与铝合金之间的界面反应，并改善SiC陶瓷与铝合金之间的润湿性能，简化制备工艺，降低成本。经过上述处理，结合机械物理手段和化学冶金手段，综合提升SiC陶瓷与Al合金之间的结合力，提高复合材料的力学性能。同时，SiC多孔陶瓷具有三维网络结构，上述制备方法还能克服增强体SiC难以分散在Al合金中的难题。
上述制备方法制得的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料，SiC陶瓷与Al合金结合力强，使用寿命长；SiC的含量高，具备优异的耐磨性，可用于高速列车的制动闸片中。
附图说明
图1为本发明一个实施例中SiC陶瓷与Al合金熔滴接触角示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下具体实施方式中，所有原料均可来源于市售。
SiC多孔陶瓷的制备方法如下：
以碳化硅、滑石粉、苏州土、氧化铝、膨润土、硅溶胶、去离子水、羧甲基纤维素溶液、消泡剂为原料，将上述原料混合搅拌，得到浆料；再以具有三维网状结构和连通气孔的聚氨酯海绵为骨架，将上述浆料挂浆到上述海绵骨架中，得到多孔陶瓷素坯，将上述多孔陶瓷素坯干燥，然后烧结，得孔径为10-30PPI的SiC多孔陶瓷。
实施例1
本实施例提供一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤一、获取孔径为10PPI的SiC多孔陶瓷，进行除油和清洗，然后放入10mol/L的HF溶液中，超声10min，进行第一次粗化处理；再放入5mol/L的NaOH溶液中，超声10min，进行第二次粗化处理，经过两次粗化处理后，SiC多孔陶瓷表面粗糙度Ra为0.5μm，对粗化处理后的SiC陶瓷进行水洗处理，清除SiC陶瓷表面的杂质，烘干备用。
步骤二、在真空镀膜设备内，将烘干后的SiC多孔陶瓷置于设备的顶部，然后加热蒸发金属Cu进行蒸镀，控制蒸发速率为5g/m2/s，蒸发时间为60s，Cu原子或分子以冷凝的方式沉积在SiC多孔陶瓷的表面，Cu的沉积厚度为100um，冷却后取出待用。
润湿角测试：利用润湿角测量仪，测量Al合金熔滴在SiC陶瓷表面的接触角θ，如图1所示，未对SiC多孔陶瓷进行表面粗化处理和蒸镀Cu处理时，测得Al合金熔滴在SiC陶瓷表面的接触角为θ1＝125度，实施例1中，Al合金熔滴在表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷表面的接触角θ2＝58度，θ1＞θ2，说明经过表面粗化和蒸镀Cu处理后，可改善SiC陶瓷与铝合金之间的润湿性能。
步骤三、将50份SiC多孔陶瓷作为增强相加入到氧化铝陶瓷坩埚中，随后加入50份Al合金粉末，通过不断旋转和振动坩埚，使SiC多孔陶瓷的孔隙中充满Al合金粉末，在氩气的氛围内，以5℃/min的升温速率升到800℃，烧结8h，然后自然冷却到室温，即得。
实施例2
本实施例提供一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤一、获取孔径为20PPI的SiC多孔陶瓷，进行除油和清洗，然后放入8mol/L的HNO3溶液中，超声20min，进行第一次粗化处理；再放入8mol/L的Ba(OH)2溶液中，超声20min，进行第二次粗化处理，经过两次粗化处理后，SiC多孔陶瓷表面粗糙度Ra为0.6μm，对粗化处理后的SiC陶瓷进行水洗处理，清除SiC陶瓷表面的杂质，烘干备用。
步骤二、在真空镀膜设备内，将烘干后的SiC多孔陶瓷置于设备的顶部，然后加热蒸发金属Cu进行蒸镀，控制蒸发速率为3g/m2/s，蒸发时间为180s，Cu原子或分子以冷凝的方式沉积在SiC多孔陶瓷的表面，Cu的沉积厚度为200um，冷却后取出待用。
润湿角测试：利用润湿角测量仪，测量Al合金熔滴在上述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷表面的接触角θ3＝63度。
步骤三、将70份SiC多孔陶瓷作为增强相加入到氧化铝陶瓷坩埚中，随后加入30份Al合金粉末，通过不断旋转和振动坩埚，使SiC多孔陶瓷的孔隙中充满Al合金粉末，在氮气的氛围内，以5℃/min的升温速率升到800℃，烧结8h，然后自然冷却到室温，即得。
实施例3
本实施例提供一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤一、获取孔径为30PPI的SiC多孔陶瓷，进行除油和清洗，然后放入10mol/L的H2SO4溶液中，超声15min，进行第一次粗化处理；再放入10mol/L的KOH溶液中，超声15min，进行第二次粗化处理，经过两次粗化处理后，SiC多孔陶瓷表面粗糙度Ra为0.8μm，对粗化处理后的SiC陶瓷进行水洗处理，清除SiC陶瓷表面的杂质，烘干备用。
步骤二、在真空镀膜设备内，将烘干后的SiC多孔陶瓷置于设备的顶部，然后加热蒸发金属Cu进行蒸镀，控制蒸发速率为10g/m2/s，蒸发时间为240s，Cu原子或分子以冷凝的方式沉积在SiC多孔陶瓷的表面，Cu的沉积厚度为10um，冷却后取出待用。
润湿角测试：利用润湿角测量仪，测量Al合金熔滴在上述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷表面的接触角θ4＝70度。
步骤三、将60份SiC多孔陶瓷作为增强相加入到氧化铝陶瓷坩埚中，随后加入40份Al合金粉末，通过不断旋转和振动坩埚，使SiC多孔陶瓷的孔隙中充满Al合金粉末，在氩气的氛围内，以5℃/min的升温速率升到800℃，烧结8h，然后自然冷却到室温，即得。
对比例1
本对比例提供一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法，与实施例1基本相同，区别在于：在真空镀膜设备内，沉积相同厚度的金属Ti代替金属Cu。
润湿角测试：利用润湿角测量仪，测量Al合金熔滴在上述表面沉积Ti的SiC多孔陶瓷表面的接触角θ5＝75度。
对比例2
本对比例提供一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料及其制备方法，与实施例1基本相同，区别在于：对SiC多孔陶瓷表面进行粗化处理，使其表面粗糙度Ra为1μm。
润湿角测试：利用润湿角测量仪，测量Al合金熔滴在上述SiC多孔陶瓷表面的接触角θ6＝85度。
性能测试
对实施例1-3和对比例1-2的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料进行性能测试。
测试项目和方法为：
致密度：阿基米德排水法。
磨损量：摩擦磨损仪。
导热系数：激光导热仪。
测试结果如表1所示：
表1
由表1可知：实施例1-3中，SiC陶瓷与铝合金之间润湿角较小，说明通过在具有特定表面粗糙度的多孔SiC表面蒸镀铜后，可提高SiC与铝合金的润湿性。并且复合材料的致密度好，说明有效抑制了界面反应，侧面反映出复合材料具有较好的结合力，即力学性能。进一步地，复合材料导热系数高，磨损量小，说明其还具有较好的导热性能和较高的耐磨性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取SiC多孔陶瓷，对所述SiC多孔陶瓷表面进行粗化处理，使其表面粗糙度Ra为0.5-0.8μm；
在粗化处理后的所述SiC多孔陶瓷表面蒸镀Cu，得表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷；
将Al合金粉末填充到所述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷的孔隙中，在惰性气体下烧结，即得；
所述粗化处理包括第一次粗化处理和第二次粗化处理；
所述第一次粗化处理的工艺参数包括：将所述SiC多孔陶瓷置于酸性溶液中，超声10-20min；
所述第二次粗化处理的工艺参数包括：将第一次粗化处理后的所述SiC多孔陶瓷置于碱性溶液中，超声10-20min。
2.根据权利要求1所述的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述第一次粗化处理的工艺参数包括：将所述SiC多孔陶瓷置于酸性溶液中，超声10min；
所述第二次粗化处理的工艺参数包括：将第一次粗化处理后的所述SiC多孔陶瓷置于碱性溶液中，超声10min。
3.根据权利要求1所述的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液选自HF溶液、H2SO4溶液、HCl溶液和HNO3溶液中的一种或几种；及/或
所述碱性溶液选自NaOH溶液、KOH溶液和Ba(OH)2溶液中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述蒸镀Cu的工艺参数包括：蒸镀速率为1-10g/m2/s，蒸镀时间为60s-240s。
5.根据权利要求1所述的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷中，所述Cu的沉积厚度为10μ m -200μ m 。
6.根据权利要求1-5任一项所述的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述Al合金粉末与所述表面沉积Cu的SiC多孔陶瓷的重量比为：(3-5)：(5-7)。
7.根据权利要求1-5任一项所述的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述烧结的工艺参数包括：烧结温度为600-1500℃；烧结时间为5-10h。
8.根据权利要求1-5任一项所述的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述SiC多孔陶瓷的孔径为10PPI-30PPI。
9.一种权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料。
10.一种制动闸片，其特征在于，其原料包括权利要求9所述的碳化硅增强铝基复合陶瓷材料。
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