CN109055874B - 一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种界面层增强铝合金‑碳化硅双基纤维复合材料及其制备方法，该复合材料由纤维预制体、碳化硅、界面层和铝合金组成。制备方法：（1）将纤维预制体清洗并烘干；（2）采用先驱体浸渍裂解法在纤维预制体中原位填充碳化硅基体；（3）采用化学气相渗透法和化学镀技术制备界面层；（4）将铝合金熔液浸渗到制备好界面层的复合材料中，得到界面层增强铝合金‑碳化硅双基纤维复合材料。本发明解决了陶瓷基复合材料和铝合金的界面相容性问题，明显提高了铝合金对陶瓷基复合材料的润湿性，充分发挥了铝合金增韧补强的作用。本发明制备的复合材料性能优异，是航空航天领域重要的候选先进复合材料。

Description

一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金-碳化硅双基纤维复合材料及其制备方法，特别涉及一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
纤维增强陶瓷基复合材料因具有密度低、高比强、高比模、耐腐蚀、耐高温、抗热震性好和耐冲击性好等优异特性，已经广泛地应用到航空航天、卫星、军工和核工业等领域。然而当纤维增强陶瓷基复合材料用于火箭、飞机、卫星等非高温（使用温度低于500℃）结构部件时，尤其是卫星支撑结构支架等部位时，由于纤维增强陶瓷基复合材料存在孔隙、微裂纹等制备缺陷问题，其性能可靠性不佳且寿命不可预测，从而容易造成事故等。
当纤维增强陶瓷基复合材料用于非高温部件时，不需要制备高温涂层，而为了强化其在低温使用时的性能，可以采用在纤维增强陶瓷基复合材料中填充铝合金的方法。铝合金具有低密度、高比强、高比模、耐冲击性好、塑性好等优点，而且铝合金在熔融状态下的粘度较低、熔融温度也较低（小于800℃），可以有效对纤维增强陶瓷基复合材料中的孔隙和缺陷进行填充，从而降低裂纹产生源及提高载荷传递能力，同时还可对纤维增强陶瓷基复合材料进行增韧补强，明显提高纤维增强陶瓷基复合材料的性能。
然而当熔融铝合金渗入到纤维增强陶瓷基复合材料中进行填充时，由于铝合金和纤维的浸润性较差，且熔融的铝合金会与纤维进行反应从而损伤纤维，所以需要在陶瓷基体填充纤维后再制备一层涂层，一是保护纤维，二是提高铝合金和陶瓷基体的结合强度。
授权公告号为CN101818048B的中国发明专利公开了一种铜硅合金改性炭/陶摩擦材料的制备方法，包括下列步骤：1. 将炭纤维预制体进行高温热处理；2. 将热处理后的炭纤维预制体进行化学气相渗透和(或)树脂浸渍/炭化致密化处理，得到低密度炭纤维增强基体炭(C/C)多孔体材料；3. Cu、Si熔渗粉配制；4. 将Cu、Si熔渗粉置于石墨坩锅中，将C/C多孔体材料平铺于石墨坩锅中的粉末上，于高温真空炉中进行非浸泡式熔融浸渗，通过Si与C及Si与Cu的反应复合成一体制得铜硅合金改性C/C-SiC摩擦材料。
授权公告号为CN105803293B的中国发明专利公开了一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料及其制备方法，属于颗粒增强金属基复合材料领域。该复合材料由碳化硅、硅和铝铜合金组成，重量百分比组成为碳化硅：15~25wt.%，硅：45~50wt.%，铝铜合金：25~40wt.%；碳化硅及硅颗粒作为增强相均匀分布在铝铜合金基体中，铝铜合金基体形成三维空间网状结构。
授权公告号为CN105924178B的中国发明专利公开了一种铝碳化硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：将粗碳化硅颗粒和细碳化硅颗粒混匀，加入两种碳化硅颗粒总质量1~3%的磷酸二氢铝水溶液和5%的水，加热进行湿混捏至湿度为10%，得到混合料，磷酸二氢铝水溶液的质量百分数为50%。将混合料烘干，造粒，陈腐得到粉料。将粉料填充至模具中，在10MPa的压力下成型，形成近成型素坯。将带素坯的模具包套封装后烧结，素坯形成预制件。将装有预制件的模具包套封装浸铝，得到铝碳化硅复合材料。
申请公布号为CN106478125A的中国发明专利公开了一种B4C改性C/C-SiC刹车材料的制备方法，采用真空压力浸渍法在密度为0.4~0.6g/cm3三维针刺碳毡中引入B4C粉料，并结合化学气相渗透(CVI)及反应熔体渗透(RMI)制备C/C-SiC刹车材料的方法。
申请公布号为CN105818476A的中国发明专利公开了一种表面改性三维网络碳纤维增强复合材料及制备方法，根据需求编制不同孔径的三维碳纤维骨架，经表面预处理后通过化学气相沉积金刚石、碳纳米管、石墨烯，然后与基体材料复合，基体材料为金属或聚合物，获得带有三维网状骨架结构的碳纤维增强金属基或聚合物基复合材料。
上述合金改性陶瓷基复合材料或者陶瓷改性金属材料虽然可以提高被改性材料的性能，但是都没有改善陶瓷和金属两异种材料的界面相容性，同时也没有有效降低陶瓷基复合材料中的孔隙率及减小缺陷，从而无法真正发挥陶瓷基复合材料和合金材料的性能，也无法发挥合金对陶瓷基复合材料的增韧补强的作用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料及其制备方法，有效的改善了陶瓷基复合材料和铝合金的界面相容性，明显提高了熔融铝合金对陶瓷基复合材料的润湿性，提高了铝合金和陶瓷基复合材料的结合强度和结合稳定性。
一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料，密度为1.8~2.5g/cm3，由纤维预制体、碳化硅、界面层和铝合金组成，其特征在于碳化硅基体填充在纤维预制体中，形成碳化硅基纤维复合材料，界面层包裹在碳化硅基纤维复合材料中碳化硅基体和纤维的表面，铝合金最后填充在碳化硅基纤维复合材料内部和表层；所述的纤维预制体的纤维种类为碳纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维中的一种，纤维体积分数为20~55%；所述的界面层为SiC、BN、Ni、Cu、TiO2中的一种；所述的碳化硅基纤维复合材料密度为1.2~1.8g/cm3，开口孔隙率为15~45%。
一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）将纤维预制体用无水乙醇超声清洗，并烘干；
（2）采用化学气相渗透法在烘干的纤维预制体内制备一层热解碳基体，然后采用先驱体浸渍裂解法，以含乙烯基液态聚碳硅烷为先驱体，在制备好热解碳基体的纤维预制体中原位填充碳化硅基体，得到碳化硅基纤维复合材料；
（3）采用化学气相渗透法在碳化硅基纤维复合材料中制备一层SiC、BN界面层，采用化学镀技术在碳化硅基纤维复合材料中制备一层Ni、Cu界面层，采用浸渍-裂解法，以TiCl4水溶液为先驱体，在碳化硅基纤维复合材料中制备一层TiO2界面层；
（4）将制备好界面层的碳化硅基纤维复合材料装入模具中，放入真空烘箱中进行烘干；
（5）将步骤（4）中烘干好的装在模具中的碳化硅基纤维复合材料放入高温炉中，将铝合金熔液浸渗到模具中，降温后取出模具并拆开，对填充好铝合金的碳化硅基纤维复合材料进行喷砂打磨处理，得到界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料。
本发明有益效果：（1）SiC、BN、Ni或Cu界面层有效改善了铝合金和陶瓷基复合材料的界面相容性，提高铝合金对陶瓷基复合材料的润湿性；（2）该复合材料密度低、强度高、刚度大、断裂韧性好、耐冲击性能好以及对缺陷敏感性低，是航空航天领域重要的候选先进复合材料；（3）该复合材料力学性能优异，压缩强度＞500MPa，弯曲强度＞300MPa。
附图说明
图1是本发明实施例1中的SiC界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料压缩性能应力-应变曲线。
图2是本发明实施例2中的Ni界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料压缩性能应力-应变曲线。
实施例1
一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料，密度为2.2g/cm3，由纤维预制体、碳化硅、界面层和铝合金组成，其特征在于碳化硅基体填充在纤维预制体中，形成碳化硅基纤维复合材料，界面层包裹在碳化硅基纤维复合材料中碳化硅基体和纤维的表面，铝合金最后填充在碳化硅基纤维复合材料内部和表层；所述的纤维预制体的纤维种类为碳纤维，碳纤维体积分数为40%；所述的界面层为SiC；所述的碳化硅基纤维复合材料密度为1.5g/cm3，开口孔隙率为30%。
一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）将碳纤维预制体用无水乙醇超声清洗，并烘干；
（2）采用化学气相渗透法在烘干的纤维预制体内制备一层热解碳基体，然后采用先驱体浸渍裂解法，以含乙烯基液态聚碳硅烷为先驱体，在制备好热解碳基体的纤维预制体中原位填充碳化硅基体，得到碳化硅基纤维复合材料；
（3）采用化学气相渗透法在碳化硅基纤维复合材料中制备一层SiC界面层；
（4）将制备好界面层的碳化硅基纤维复合材料装入模具中，放入真空烘箱中进行烘干；
（5）将步骤（4）中烘干好的装在模具中的碳化硅基纤维复合材料放入高温炉中，将铝合金熔液浸渗到模具中，降温后取出模具并拆开，对填充好铝合金的碳化硅基纤维复合材料进行喷砂打磨处理，得到SiC界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料。
测试本实施例得到的SiC界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料弯曲强度为370MPa，压缩强度为620MPa。
实施例2
一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料，密度为2.45g/cm3，由纤维预制体、碳化硅、界面层和铝合金组成，其特征在于碳化硅基体填充在碳纤维预制体中，形成碳化硅基纤维复合材料，界面层包裹在碳化硅基纤维复合材料中碳化硅基体和纤维的表面，铝合金最后填充在碳化硅基纤维复合材料内部和表层；所述的纤维预制体的纤维种类为碳化硅纤维，碳化硅纤维体积分数为45%；所述的界面层为Ni；所述的碳化硅基纤维复合材料密度为1.6g/cm3，开口孔隙率为30%。
一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）将碳化硅纤维预制体用无水乙醇超声清洗，并烘干；
（2）采用化学气相渗透法在烘干的纤维预制体内制备一层热解碳基体，然后采用先驱体浸渍裂解法，以含乙烯基液态聚碳硅烷为先驱体，在制备好热解碳基体的纤维预制体中原位填充碳化硅基体，得到碳化硅基纤维复合材料；
（3）采用化学镀技术在碳化硅基纤维复合材料中制备一层Ni界面层；
（4）将制备好界面层的碳化硅基纤维复合材料装入模具中，放入真空烘箱中进行烘干；
（5）将步骤（4）中烘干好的装在模具中的碳化硅基纤维复合材料放入高温炉中，将铝合金熔液浸渗到模具中，降温后取出模具并拆开，对填充好铝合金的碳化硅基纤维复合材料进行喷砂打磨处理，得到Ni界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料。
测试本实施例得到的Ni界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料弯曲强度为325MPa，压缩强度为560MPa。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料，密度为1.8~2.5g/cm3，由纤维预制体、碳化硅、界面层和铝合金组成，其特征在于碳化硅基体填充在纤维预制体中，形成碳化硅基纤维复合材料，界面层包裹在碳化硅基纤维复合材料中碳化硅基体和纤维的表面，铝合金最后填充在碳化硅基纤维复合材料内部和表层；所述的纤维预制体的纤维种类为碳纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维中的一种，纤维体积分数为20~55%；所述的界面层为SiC、BN、Ni、Cu、TiO2中的一种；所述的碳化硅基纤维复合材料密度为1.2~1.8g/cm3，开口孔隙率为15~45%；所述的界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：（1）将纤维预制体用无水乙醇超声清洗，并烘干；（2）采用化学气相渗透法在烘干的纤维预制体内制备一层热解碳基体，然后采用先驱体浸渍裂解法，以含乙烯基液态聚碳硅烷为先驱体，在制备好热解碳基体的纤维预制体中原位填充碳化硅基体，得到碳化硅基纤维复合材料；（3）采用化学气相渗透法在碳化硅基纤维复合材料中制备一层SiC、BN界面层，采用化学镀技术在碳化硅基纤维复合材料中制备一层Ni、Cu界面层，采用浸渍-裂解法，以TiCl4水溶液为先驱体，在碳化硅基纤维复合材料中制备一层TiO2界面层；（4）将制备好界面层的碳化硅基纤维复合材料装入模具中，放入真空烘箱中进行烘干；（5）将步骤（4）中烘干好的装在模具中的碳化硅基纤维复合材料放入高温炉中，将铝合金熔液浸渗到模具中，降温后取出模具并拆开，对填充好铝合金的碳化硅基纤维复合材料进行喷砂打磨处理，得到界面层增强铝合金-碳化硅双基纤维复合材料。
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