CN108796262A - 具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备方法。该复合材料由体积分数为5％～90％的碳化硅和金属组成，具有微观定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。该复合材料的制备方法为：首先配制含有碳化硅粉体的水基浆料，再利用冷冻铸造和真空冷冻干燥处理浆料得到具有定向多孔结构的坯体，压缩坯体并去除坯体中的有机质，然后烧结得到碳化硅的定向多孔骨架，最后利用液态金属熔体浸渗骨架，经凝固冷却得到具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料。本发明的复合材料具有轻质、高强、耐磨等优异性能以及抗高温蠕变性能，同时其微观结构和性能可以通过调整制备工艺进行有效控制，作为结构材料具有可观的应用前景。

Description

具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及碳化硅增强金属基复合材料领域，尤其涉及一种具有微观定向结构的、以碳化硅增强的金属镁、镁合金与铝合金基复合材料及其制备方法。
背景技术
实现结构材料的轻量化能够在满足安全服役所需的力学性能的前提下减轻结构件的重量，从而有利于节约能源并且减少环境污染，因此具有重要的实际意义和需求。特别是在交通运输领域，汽车的轻量化能够提高汽车的燃油效率，减少燃料消耗和尾气排放，因而已成为当今汽车发展的主要趋势之一。材料轻量化的实现主要依赖于其比强度和比刚度等力学性能。轻型合金是一类具有较高的比强度和比刚度的合金材料，主要包括密度相对较低的镁合金、铝合金和钛合金，特别是分别以镁元素和铝元素为基本组元的镁合金和铝合金，因其密度相对较低(镁的密度为1.74g/cm3，铝的密度为2.70g/cm3)，而表现出相当高的比强度和比刚度，同时具有优异的塑性和韧性等力学性能，并且加工性能优良且易于回收。此外，镁合金的阻尼和散热性能优良，具有较强的抗冲击能力以及耐有机物和碱的腐蚀能力，而铝合金具有优良的导电性、导热性和耐腐蚀性。因此，镁合金和铝合金已作为重要的结构材料被广泛应用于交通运输、工程建筑、航空航天、武器装备、电子产品等技术领域。
然而，与其他金属结构材料相比，镁合金的绝对强度和刚度仍然偏低，耐磨性和耐热性差，其高温强度和抗高温蠕变性能均有待提高。以上性能缺点在铝合金中也不同程度的存在，这使得镁合金和铝合金作为轻型结构材料的应用受到较大限制。通过在金属或合金基体中引入增强相制备金属基复合材料是解决上述问题的有效途径之一。镁合金和铝合金中常用的增强相包括碳化硅、碳化钛、硼化钛、碳纤维、碳纳米管等。其中，碳化硅具有强度高、硬度大、熔点高、耐磨性和化学稳定性好等优点，并且成本相对较低。以碳化硅晶须或颗粒增强的镁合金和铝合金基复合材料相比于基体金属往往表现出更高的强度、刚度和耐磨性，同时材料在高温下的力学性能可得到显著增强。
中国专利(公开号CN107523727A)公布一种掺杂有碳化硅的镁基复合材料及其制备方法，在镁合金中加入碳化硅颗粒后可以细化镁基复合材料的晶粒，复合材料的屈服强度、抗拉强度、硬度和塑性都有很大程度的提高；中国专利(公开号CN102766774A)公布一种镁合金掺杂碳化硅颗粒的增强方法，在熔炼镁合金的过程中掺杂细碳化硅和粗碳化硅颗粒，然后进行浇铸、加压和热挤压成型，提高镁合金的屈服强度、硬度和耐磨性能；中国专利(公开号CN207385299A)公布一种高模高强镁基复合材料及其制备方法，在镁合金基体中加入增强体，增强体可以是碳纳米管、碳化硅、碳化硼及石墨烯中的一种，利用强化相与位错、孪晶、晶界之间的相互作用，结合固溶、塑性变形及时效处理，大幅度提高镁合金的弹性模量；中国专利(公开号CN103074507A)公布一种刹车盘用外加碳化硅颗粒增强硅铝合金基复合材料的制备方法，该复合材料以硅铝合金为基体，通过浸润碳化硅颗粒增强，其中碳化硅颗粒浸润前需要进行化学镀铜处理，该发明制备的铝基复合材料重量轻、比强度和比刚度高、热膨胀系数低，具有良好的导热性和耐磨性。
分析现有的碳化硅增强镁合金与铝合金基复合材料及其制备方法可知，目前复合材料中的碳化硅增强相总是均匀地分布在合金基体中，制备得到的复合材料的微观结构和性能表现为各向同性，基体与增强相以及它们之间的界面在空间上均没有特定的取向，因此碳化硅的强化效果不能集中于某一特定方向上，即增强相的强化能力没有沿某一特定方向最大限度地得到利用。然而，结构材料在实际应用中所受的主要应力往往是沿着某一特定方向的，因而主要要求材料沿该方向具有最佳的力学性能。此外，现有的复合材料及其制备方法通过在镁合金与铝合金基体中添加均匀分散的碳化硅增强相，在提高材料强度、硬度与耐磨性的同时，难以避免地会导致材料塑性与韧性的降低，这主要是由于复合材料的塑性与韧性主要由基体合金贡献，而碳化硅的添加在引入脆性相的同时，降低基体合金的完整性与连贯性，并且没有能够引入有效的增韧机制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有微观定向结构的、以碳化硅增强的金属镁、镁合金与铝合金基复合材料及其制备方法，通过微观结构设计，在不明显降低基体金属的塑性和韧性的前提下，显著提高材料的强度、硬度、耐磨性和抗高温蠕变性。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，所述的复合材料由碳化硅和金属组成，以体积百分数计，碳化硅含量为5％～90％，其余为金属，金属是金属镁、镁合金或铝合金；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。
所述的复合材料中碳化硅和金属以片层形式相间排列，其中碳化硅的片层由碳化硅颗粒、晶须或两者混合构成，片层厚度为0.5～50μm，片层间距为0.1～50μm。
所述的复合材料中的金属为镁或铸造镁合金时，其压缩强度为100～900MPa，压缩应变量大于4％，断裂韧性为所述的复合材料中的金属为铸造铝合金时，其压缩强度为200～1600MPa，压缩应变量大于6％，断裂韧性为
所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将碳化硅粉体和添加剂均匀分散于水中，制备得到含有碳化硅粉体的水基浆料；
2)利用冷冻铸造工艺处理浆料使其中的碳化硅粉体定向排列，对凝固的浆料进行脱模和真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有定向多孔结构的碳化硅坯体；
3)沿垂直于碳化硅坯体片层的方向压缩坯体，去除碳化硅坯体中的有机质，然后烧结碳化硅坯体，得到具有定向多孔结构的碳化硅骨架；
4)利用液态金属熔体浸渗碳化硅骨架，使金属熔体填充骨架间隙，凝固冷却后得到具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料。
步骤1)中，所述的碳化硅粉体是碳化硅晶须、颗粒或两者的组合；所述的添加剂包括有机粘结剂、分散剂和烧结助剂，该有机粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖或瓜尔胶中的一种或一种以上的组合，该分散剂是Darvan CN、聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种或一种以上的组合，该烧结助剂是氧化铝、氧化钇、氧化硅、氧化镁或氧化锆中的一种或一种以上的组合。
所述的碳化硅粉体和添加剂在水中的分散工艺是搅拌、球磨或两者的组合，其中搅拌速度为10～500rpm，搅拌时间大于0.5h，球磨速度为30～500rpm，球磨时间为4～100h，磨球和浆料的质量比大于0.1。
步骤2)中，所述的冷冻铸造工艺过程为：将浆料倒入模具中，通过对模具一端进行冷却，使得浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的碳化硅粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现碳化硅粉体的定向排列。
步骤2)中，所述的真空冷冻干燥工艺为：将凝固的浆料进行脱模后置于冷阱温度低于-30℃、真空度低于10Pa的真空环境下，放置时间为12～120h。
步骤3)中，所述的复合材料中碳化硅的体积含量通过对坯体沿垂直于片层的方向进行不同程度的压缩进行控制，压缩变形量为0％～90％，压缩变形量越大，最终制备得到的复合材料中碳化硅的体积含量越高。
步骤3)中，所述的去除碳化硅坯体中含有的有机质的工艺为：对碳化硅坯体在空气中进行加热保温处理，保温温度为300～600℃，保温时间为1～5h。
步骤3)中，当添加剂中的烧结助剂含有氧化硅或氧化锆或两者均含有时，所述的碳化硅坯体的烧结气氛是空气、真空或保护气氛，烧结温度为900～2100℃；当添加剂中的烧结助剂不含氧化硅和氧化锆时，所述的碳化硅坯体的烧结气氛为真空或保护气氛，烧结温度为1500～2200℃；所述的保护气氛是氮气、氩气、氦气中的一种或一种以上的组合气体。
步骤4)中，所述的液态金属熔体浸渗碳化硅骨架所采用的气氛为真空或保护气氛，浸渗温度在金属熔点以上，选择无压力浸渗；或者，为了促进浸渗，对碳化硅骨架施加负压或对液态金属熔体施加正压。
本发明的设计思想是：
由于碳化硅具有强度高、硬度大、熔点高、耐磨性和化学稳定性好等优点，碳化硅增强相的引入能够显著提高基体金属的强度、硬度、耐磨性和抗高温蠕变性能。同时，由于复合材料具有微观定向结构，即复合材料中的碳化硅增强相倾向于沿某个特定取向排列，并且在三维空间上相互连通，因此增强相的强化效果在该方向上得以最大限度地发挥，使得复合材料沿该方向表现出最佳的力学性能。此外，微观定向结构的存在能够在复合材料中引入裂纹沿两相界面偏转以及增强相在裂纹面上桥连等新的增韧机制，从而有效阻碍裂纹在材料中的扩展。因此，本发明的复合材料在得以显著强化的同时，其塑性和韧性相比于基体金属并没有明显降低，从而在保留基体金属的力学性能优点的前提下，有效克服其缺点，表现出优异的综合力学性能，因而作为结构材料具有可观的应用前景。
与现有材料和技术相比，本发明具有以下的优点及有益效果：
1、本发明的复合材料在保留其基体金属的轻质、高比强度、高比刚度等性能优点的前提下，提高材料的绝对强度、硬度、耐磨性和抗高温蠕变性能，尤其是材料沿特定方向的力学性能得以显著增强，同时材料的塑性和韧性相比于基体金属没有明显降低，因此综合性能优异，作为结构材料具有可观的应用前景；特别是，当采用的碳化硅原材料含有晶须时，本发明的复合材料中的金属相能够在三维空间相互连通，因而复合材料具有良好的塑性和韧性。
2、本发明的复合材料的制备方法可通过调整制备工艺对复合材料的微观结构和性能进行有效控制，并且制备的材料没有尺寸限制，易于实现工业化。
附图说明
图1为实施例1烧结得到的由碳化硅晶须构成的具有定向多孔结构的碳化硅骨架的扫描电子显微图片。
图2为实施例1采用液态金属镁熔体浸渗由碳化硅晶须构成的定向多孔骨架制备得到的具有微观定向结构的碳化硅晶须增强金属镁基复合材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为碳化硅增强相，暗黑色为金属镁基体。
图3为实施例2采用液态镁合金熔体浸渗由碳化硅颗粒构成的定向多孔骨架制备得到的具有微观定向结构的碳化硅片层增强镁合金基复合材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为碳化硅增强相，暗黑色为镁合金基体。
图4为实施例2制备的具有微观定向结构的碳化硅增强镁合金基复合材料沿平行和垂直于片层方向的室温压缩应力-应变曲线。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明涉及一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备方法。该复合材料由体积分数为5％～90％(优选为10％～50％)的碳化硅和金属组成，具有微观定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。该复合材料的制备方法为：首先配制含有碳化硅粉体的水基浆料，再利用冷冻铸造和真空冷冻干燥处理浆料得到具有定向多孔结构的坯体，压缩坯体并去除坯体中的有机质，然后烧结得到碳化硅的定向多孔骨架，最后利用液态金属熔体浸渗骨架，经凝固冷却得到具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料。
下面结合具体实施例来对本发明做进一步阐述，应理解，以下实施例仅限用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例中，制备具有微观定向结构的碳化硅晶须增强金属镁基复合材料。所用的原材料主要有碳化硅晶须(平均直径2.5μm，长度50～200μm)、氧化硅粉体(平均粒径20nm)、去离子水、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素粉末(平均粒径180μm)、聚丙烯酸以及纯金属镁，具体制备工艺如下：
(A)配制浆料
将700g去离子水加入到1000ml的塑料广口瓶中，向瓶中依次加入90g碳化硅晶须、3.6g氧化硅粉体、31.5g聚乙烯醇和1.8g聚丙烯酸，以60rpm的速度搅拌直至固体粉均匀分散于水中。将广口瓶置于70℃的恒温水浴箱中，保温30min，向瓶中缓慢加入12.6g羟丙基甲基纤维素粉末，搅拌直至粉末均匀分散于浆料中。从水浴箱中取出广口瓶，待浆料冷却后，向浆料中加入直径为3mm、6mm和10mm的氧化锆磨球各12个，并滴入6滴(约0.4mL)消泡剂，该消泡剂为南京华兴消泡剂有限公司生产的XPM-120消泡剂，将广口瓶盖上瓶盖并密封后，放置于滚筒式球磨机上进行球磨，球磨速度为300rpm，球磨时间为24h。
(B)制备多孔坯体
将球磨后的浆料倒入内腔尺寸为20mm×20mm×60mm的长方体聚甲基丙烯酸甲酯模具中，模具下端以倾角为25°的聚二甲基硅氧烷底座密封，将模具放置于边长为60mm、厚为5mm的方形铜板上，将铜板与一端浸没在液氮(或干冰)中的铜棒相连接，通过铜板的冷却使浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的碳化硅晶须和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现粉体的定向排列。待凝固完全后，将凝固的浆料从模具中取出并放入真空冷冻干燥机中进行干燥，设置冷阱温度为-60℃，真空度为1Pa，处理72h后取出，得到由碳化硅晶须和添加剂组成的片层所构成的具有定向多孔结构的坯体，坯体的平均孔的厚度约为120μm，孔隙率约为90％。
(C)坯体压缩处理
将冷冻干燥后的坯体放置于钢制模具中，使用热压力机在100℃下沿垂直于碳化硅晶须片层的方向压缩骨架，压缩变形量为10％，保压10min，冷却后卸载并将骨架从模具中取出。
(D)去有机质和烧结
将压缩后的坯体放置于热处理炉中，在空气条件下，以5℃/min的速率从室温升温至500℃，保温3h，再以5℃/min的速率降温至室温，去除坯体中含有的有机质(以5℃/min的速率升温和降温，可以防止有机质挥发过快对坯体造成破坏性的冲击，升温至500℃并保温3h可以保证有机质完全去除)。将去除有机质后的坯体放置于箱式炉中，在空气条件下，以5℃/min的速率从室温升温至1000℃，再以2℃/min的速率升温至1100℃，保温2h，然后以2℃/min的速率降温至1000℃，再以5℃/min的速率降温至室温，采用上述阶段式升温和降温有利于缩短烧结时间，提高烧结效率，并降低内应力，经烧结得到由碳化硅晶须构成的具有定向多孔结构的骨架，其微观结构见图1。由图1可以看出，该骨架中的碳化硅晶须优先按照一定的取向排列在平行的片层内，在片层面内编织成网状，并且晶须在三维空间相互连通，该骨架的孔隙率约为80％。
(E)液态金属镁浸渗
将烧结得到的碳化硅骨架放置于石墨坩埚中，在骨架上方放置25g纯金属镁块，将坩埚置于加热炉中，在-0.05MPa的真空条件下，以5℃/min的速率从室温升温至850℃，保温5min，再以5℃/min的速率降温至室温，待冷却后，将材料从加热炉中取出。
经上述工艺可制备得到具有微观定向结构的碳化硅晶须增强金属镁基复合材料，其微观结构见图2。经测试，该复合材料中碳化硅增强相的体积分数约为20％，平行于片层方向的压缩强度为175MPa，垂直于片层方向的压缩强度为160MPa，平行于片层方向的硬度为0.72GPa，垂直于片层方向的硬度为0.68GPa。
实施例2：
本实施例中，制备具有微观定向结构的碳化硅片层增强镁合金基复合材料。所用的原材料主要有纳米碳化硅粉体(平均粒径100nm)、纳米氧化钇粉体(平均粒径30nm)、纳米氧化铝粉体(平均粒径20nm)、去离子水、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素粉末(平均粒径180μm)、聚丙烯酸以及AZ91D型镁合金(以质量百分数计，成分为9.0％铝、0.5％锌、0.2％锰，其余为镁)，具体制备工艺如下：
(A)配制浆料
将185g去离子水加入到500ml的塑料广口瓶中，向瓶中依次加入45g纳米碳化硅粉体、2.853g纳米氧化钇粉体、2.147g纳米氧化铝粉体，8g聚乙烯醇和1g聚丙烯酸，以60rpm的速度搅拌直至固体粉均匀分散于水中。将广口瓶置于70℃的恒温水浴箱中，保温30min，向瓶中缓慢加入2.96g羟丙基甲基纤维素粉末，搅拌直至粉末均匀分散于浆料中。从水浴箱中取出广口瓶，待浆料冷却后，向浆料中加入直径为3mm、6mm和10mm的氧化锆磨球各6个，并滴入3滴(约0.2mL)消泡剂，该消泡剂为南京华兴消泡剂有限公司生产的XPM-120消泡剂，将广口瓶盖上瓶盖密封后，放置于滚筒式球磨机上进行球磨，球磨速度为500rpm，球磨时间为12h。
(B)制备多孔坯体
该步操作与实施例1中步骤(B)相同。
(C)坯体压缩处理
该步操作与实施例1中步骤(C)相似，所不同的是，施加的压缩变形量为80％。
(D)去有机质和烧结
该步操作中的去有机质工艺与实施例1中步骤(D)相同。烧结工艺为：将去除有机质后的坯体放置于烧结炉中，在氩气条件下，以5℃/min的速率从室温升温至1500℃，再以2℃/min的速率升温至1600℃，保温2h，然后以2℃/min的速率降温至1500℃，再以5℃/min的速率降温至室温。采用上述阶段式升温和降温有利于缩短烧结时间，提高烧结效率，并降低内应力，经烧结得到由碳化硅颗粒构成的片层组成的具有定向多孔结构的骨架，该骨架的孔隙率约为25％。
(E)液态镁合金浸渗
将烧结得到的碳化硅骨架放置于石墨坩埚中，在骨架上方放置20g的AZ91D镁合金块，将坩埚置于加热炉中，在-0.05MPa的真空条件下，以5℃/min的速率从室温升温至850℃，保温5min，再以5℃/min的速率降温至室温，待冷却后，将材料从加热炉中取出。
经上述工艺可制备得到具有微观定向结构的碳化硅片层增强镁合金基复合材料，其微观结构见图3。经测试，该复合材料中碳化硅增强相的体积分数约为75％，平行于片层方向的压缩强度为540MPa，垂直于片层方向的压缩强度为445MPa，并且两个方向的压缩应变量均在10％以上，其沿平行和垂直于片层方向的室温压缩应力-应变曲线见图4。该复合材料平行于片层方向的硬度为2.12GPa，垂直于片层方向的硬度为1.85GPa。
实施例3：
本实施例中，制备具有微观定向结构的碳化硅片层增强铝合金基复合材料。所用的原材料主要有纳米碳化硅粉体(平均粒径100nm)、纳米氧化钇粉体(平均粒径30nm)、纳米氧化铝粉体(平均粒径20nm)、去离子水、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素粉末(平均粒径180μm)、聚丙烯酸以及ZL303铝合金(以质量百分数计，成分为1.0％硅、0.2％锰、5.2％镁，其余为铝)，具体制备工艺如下：
(A)配制浆料
该步操作与实施例2中步骤(A)相同。
(B)制备多孔坯体
该步操作与实施例2中步骤(B)相同。
(C)坯体压缩处理
该步操作与实施例2中步骤(C)相似，所不同的是，施加的压缩变形量为30％。
(D)去有机质和烧结
该步操作与实施例2中步骤(D)相同。
(E)液态铝合金浸渗
将烧结得到的碳化硅骨架放置于石墨坩埚中，在骨架上方放置20g的ZL303型铝合金块，将坩埚置于加热炉中，在-0.01MPa的真空条件下，以5℃/min的速率从室温升温至880℃，保温5min，再以5℃/min的速率降温至室温，待冷却后，将材料从加热炉中取出。
经上述工艺可制备得到具有微观定向结构的碳化硅片层增强铝合金基复合材料。经测试，该复合材料中碳化硅增强相的体积分数约为37％，平行于片层方向的压缩强度为460MPa，垂直于片层方向的压缩强度为405MPa，并且两个方向的压缩应变量均在12％以上。该复合材料平行于片层方向的硬度为1.81GPa，垂直于片层方向的硬度为1.62GPa。
实施例结果表明，本发明的复合材料具有轻质、高强、耐磨等优异性能以及抗高温蠕变性能，同时其微观结构和性能可以通过调整制备工艺进行有效控制，因此作为结构材料具有可观的应用前景。

Claims (12)

1.一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，其特征在于，所述的复合材料由碳化硅和金属组成，以体积百分数计，碳化硅含量为5％～90％，其余为金属，金属是金属镁、镁合金或铝合金；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。
2.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，其特征在于，所述的复合材料中碳化硅和金属以片层形式相间排列，其中碳化硅的片层由碳化硅颗粒、晶须或两者混合构成，片层厚度为0.5～50μm，片层间距为0.1～50μm。
3.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，其特征在于，所述的复合材料中的金属为镁或铸造镁合金时，其压缩强度为100～900MPa，压缩应变量大于4％，断裂韧性为所述的复合材料中的金属为铸造铝合金时，其压缩强度为200～1600MPa，压缩应变量大于6％，断裂韧性为
4.根据权利要求1至3之一所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将碳化硅粉体和添加剂均匀分散于水中，制备得到含有碳化硅粉体的水基浆料；
2)利用冷冻铸造工艺处理浆料使其中的碳化硅粉体定向排列，对凝固的浆料进行脱模和真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有定向多孔结构的碳化硅坯体；
3)沿垂直于碳化硅坯体片层的方向压缩坯体，去除碳化硅坯体中的有机质，然后烧结碳化硅坯体，得到具有定向多孔结构的碳化硅骨架；
4)利用液态金属熔体浸渗碳化硅骨架，使金属熔体填充骨架间隙，凝固冷却后得到具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料。
5.根据权利要求4所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的碳化硅粉体是碳化硅晶须、颗粒或两者的组合；所述的添加剂包括有机粘结剂、分散剂和烧结助剂，该有机粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖或瓜尔胶中的一种或一种以上的组合，该分散剂是Darvan CN、聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种或一种以上的组合，该烧结助剂是氧化铝、氧化钇、氧化硅、氧化镁或氧化锆中的一种或一种以上的组合。
6.根据权利要求4或5所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳化硅粉体和添加剂在水中的分散工艺是搅拌、球磨或两者的组合，其中搅拌速度为10～500rpm，搅拌时间大于0.5h，球磨速度为30～500rpm，球磨时间为4～100h，磨球和浆料的质量比大于0.1。
7.根据权利要求4所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的冷冻铸造工艺过程为：将浆料倒入模具中，通过对模具一端进行冷却，使得浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的碳化硅粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现碳化硅粉体的定向排列。
8.根据权利要求4所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的真空冷冻干燥工艺为：将凝固的浆料进行脱模后置于冷阱温度低于-30℃、真空度低于10Pa的真空环境下，放置时间为12～120h。
9.根据权利要求4所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的复合材料中碳化硅的体积含量通过对坯体沿垂直于片层的方向进行不同程度的压缩进行控制，压缩变形量为0％～90％，压缩变形量越大，最终制备得到的复合材料中碳化硅的体积含量越高。
10.根据权利要求4所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的去除碳化硅坯体中含有的有机质的工艺为：对碳化硅坯体在空气中进行加热保温处理，保温温度为300～600℃，保温时间为1～5h。
11.根据权利要求4所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，当添加剂中的烧结助剂含有氧化硅或氧化锆或两者均含有时，所述的碳化硅坯体的烧结气氛是空气、真空或保护气氛，烧结温度为900～2100℃；当添加剂中的烧结助剂不含氧化硅和氧化锆时，所述的碳化硅坯体的烧结气氛为真空或保护气氛，烧结温度为1500～2200℃；所述的保护气氛是氮气、氩气、氦气中的一种或一种以上的组合气体。
12.根据权利要求4所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述的液态金属熔体浸渗碳化硅骨架所采用的气氛为真空或保护气氛，浸渗温度在金属熔点以上，选择无压力浸渗；或者，为了促进浸渗，对碳化硅骨架施加负压或对液态金属熔体施加正压。
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