CN109913686A - 一种表面改性SiC增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面改性SiC增强铝基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述的表面改性SiC增强铝基复合材料以金属铝为基体，以表面改性的SiC多孔陶瓷为增强体；首先通过CVI法在碳泡沫基体上沉积SiC、氧化法除去碳泡沫骨架得到SiC多孔陶瓷胚体、通过PIP法进一步得到SiC多孔陶瓷，然后通过激光烧结在SiC多孔陶瓷外层制备得到多孔SiC晶须，最后通过高压浸渗制备SiC增强铝基复合材料。本发明提供了一种表面改性SiC增强铝基复合材料，其组织分布均匀、成型性好，表面改性既可保证复合材料的强度又提高了复合材料的耐磨性，本发明解决了传统碳化硅增强铝基复合材料的SiC在铝基体中分散不均匀、耐磨性较差等问题，可广泛应用于航空航天领域的承载结构件。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料制备领域，特别涉及一种表面改性SiC增强铝基复合材料 及其制备方法。
背景技术
为了达到减少燃料消耗、降低排气污染的目的，除了对汽车动力方面的改善，车辆的轻量化也是各大车企必须要完成的任务之一。刹车鼓是车轮端部组件中的一个部 件，属于非簧载重量。减轻1Kg非簧载重量就相当于减轻3-5Kg的簧载重量，所以刹车 鼓的轻量化是车辆减重的重要途径之一。刹车鼓与制动器闸瓦配合实现制动的功能， 当制动器闸瓦与刹车鼓的摩擦表面接触时，刹车鼓不仅要承受严酷的摩擦磨损和很大 的扭矩载荷，而且摩擦产生的大量热量使刹车鼓的温度升高到260℃左右。因此，要求 刹车鼓材料既要有良好的综合力学性能(足够的强度和刚度)以承受高的扭矩载荷， 又要有优异的摩擦磨损性能以实现高效制动功能，同时还要有高的导热性能以释放摩 擦产生的大量热量。目前车辆中常用于制备刹车鼓材质是铸铁铸钢材料，其散热能力 差，连续制动时有可能会因为刹车鼓温度的大幅升高而导致刹车失灵，而且材料比重 大(约为7.8g/cm3)，不符合轻量化要求。
采用轻质的铝合金或铝基复合材料替换传统的铸铁材料将起到很好的减重效果(减重40％以上)，但是刹车鼓苛刻的使用要求是单一铝合金难以满足的。单一铝合金 (如锻造铝合金和超硬铝合金)虽然能够保证结构件优异的综合力学性能，但是不能 满足局部耐磨性能的要求。因此将高强铝合金和耐磨陶瓷相SiC结合起来，组成一种 SiC增强铝基复合材料，这样就可以充分发挥两种材料在热物理性能、力学性能、摩擦 磨损性能和可加工性能等方面的优异特性，克服了各自的缺点，同时还保留了铝合金 轻量化的重要优势，将这种复合材料简称为SiC/Al复合材料。
授权公告号CN102864361B的中国发明专利公开了一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料及其制备方法，该复合材料是由以下重量百分比的化学成分组成：SiC： 23～35％，Si：26～35％，Mg：1.8～2.0％，余量为Al及不可避免的杂质；该发明的制备 方法主要包括粉体的表面处理、真空湿法高能球磨混料、真空热压烧结。通过控制 SiC、合金元素Mg的加入量及制备工艺，能有效的降低材料的热膨胀系数及密度，提 高抗拉强度，获得成本较低，热膨胀系数为(7-9)×10-6/℃，密度＜2.7g/cm3，抗拉强 度＞230MPa，且具有抗腐蚀性的复合材料。虽然该发明的复合材料中SiC在铝基体中分 散均匀，但是复合材料内部界面结合较差，影响了复合材料性能的发挥。
王开，刘昌明，袁少波等的论文“离心铸造亿复合材料盘状件组织与性能”用离心铸造法制备了SiC含量为15％的SiC颗粒增强ZL104复合材料盘状件，离心铸造成形可实 现增强颗粒在基体合金的重新分配，但是由于径向位置的差别(颗粒体积分数沿径向 从11％增加到23.5％)也造成了各个位置性能有所差别。
传统的碳化硅增强铝基复合材料的SiC在铝基体中分散不均匀会导致复合材料的强 度不高，而且单一的SiC结构会使得复合材料表面与铝基体结合不牢固从而导致较低的耐磨性；为解决以上问题，本发明采用激光烧结使SiC多孔陶瓷表面改性得到SiC晶须 层提高铝基复合材料的耐磨性，采用SiC多孔陶瓷与真空高压浸渗方法结合保证铝基复 合材料的强度。本发明提供的表面改性SiC增强铝基复合材料，其组织分布均匀、成型 性好，表面改性既可保证复合材料的强度又提高了复合材料的耐磨性，解决了传统碳 化硅增强铝基复合材料的SiC在铝基体中分散不均匀、耐磨性较差等问题，可广泛应用 于航空航天领域的承载结构件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，旨在提供一种梯度SiC增强铝基 复合材料及其制备方法；
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种表面改性SiC增强铝基复合材料，其特征在于，所述的表面改性SiC增强铝基复合材料以金属铝为基体，以表面改性的SiC多孔陶瓷为增强体；
一种表面改性SiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将多孔碳泡沫超声清洗30min，于100℃烘箱中5h烘干待用；
(2)将(1)中的多孔碳泡沫放置于CVI管式炉主温区，以5-10℃/min升至1050-1200℃，按CH3SiCl3∶H2∶Ar为(1∶10∶8-10)的比例依次通入Ar、H2、CH3SiCl3，保持管 式炉内压强为300-500Pa，沉积12-14h，最后以3-5℃/min的速率降温至室温得到碳泡沫 负载SiC预制体；
(3)将碳泡沫负载SiC预制体放入马弗炉中，于600-700℃保温6h、氧化法除去碳泡沫骨架得到SiC多孔陶瓷胚体；
(4)将SiC多孔陶瓷胚体进行先驱体浸渍裂解(PIP)：浸渍溶液为聚碳硅烷 (PCS)的二甲苯溶液，浸渍罐的真空度为5-10Pa、加压至1.5-2MPa，并保持高压4- 5h，固化交联温度为100-130℃、时间为8-10h；裂解时以3-5℃/min的速率升温至 1200℃，保温2-3h，再以3℃/min的速率降温至500℃，之后随炉冷却至室温得到SiC多 孔陶瓷；
(5)SiC多孔陶瓷表面改性：将SiC多孔陶瓷置于成型缸中，在保护气氛围中、控 制激光束扫描烧结，使SiC多孔陶瓷表面得到改性，得到多孔SiC晶须层；
(6)将表面改性的SiC多孔陶瓷增强体进行高压浸渗铝基体：将其放置于模具 中、并将模具放置于高压浸渍罐中，将高压浸渍罐抽为真空状态、真空度为5-10Pa， 再将高压浸渍罐加热至700-750℃并保温；然后让铝液倒吸入高压浸渍罐中、充满模 具，用预热后的Ar或N2加压至2-4MPa、保持高压及高温4-6h；浸渍罐自然冷却至室 温、泄除高压及模具得到得到表面改性SiC增强铝基复合材料。
按上述方案：步骤(5)所述的激光烧结采用的激光功率为400-500W，扫描速度为800-900μm/s；所述的成型缸保护气为高纯Ar、工作压力为100-300Pa；所述激光烧结表 面改性的SiC层厚为800-1000μm。
本发明一种表面改性SiC增强铝基复合材料及其制备方法，包括以下有益效果：
本发明提供了一种表面改性SiC增强铝基复合材料，其组织分布均匀、成型性好，表面改性既可保证复合材料的强度又提高了复合材料的耐磨性，本发明解决了传统碳 化硅增强铝基复合材料的SiC在铝基体中分散不均匀、耐磨性较差等问题，可广泛应用 于航空航天领域的承载结构件。
附图说明
图1为表面改性SiC增强铝基复合材料示意图(其中1为多孔SiC晶须，2为SiC多孔陶瓷，3为金属Al基体)
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)将多孔碳泡沫超声清洗30min，于100℃烘箱中5h烘干待用；
(2)将(1)中的多孔碳泡沫放置于CVI管式炉主温区，以10℃/min升至1100℃， 按CH3SiCl3∶H2∶Ar为(1∶10∶9)的比例依次通入Ar、H2、CH3SiCl3，保持管式炉内压强 为500Pa，沉积13h，最后以5℃/min的速率降温至室温得到碳泡沫负载SiC预制体；
(3)将碳泡沫负载SiC预制体放入马弗炉中，于650℃保温6h、氧化法除去碳泡沫骨架得到SiC多孔陶瓷胚体；
(4)将SiC多孔陶瓷胚体进行先驱体浸渍裂解(PIP)：浸渍溶液为聚碳硅烷 (PCS)的二甲苯溶液，浸渍罐真空度为10Pa、加压至1.8MPa，并保持高压5h，固化 交联温度为130℃、时间为9h；裂解时以4℃/min的速率升温至1200℃，保温3h，再以 3℃/min的速率降温至500℃，之后随炉冷却至室温得到SiC多孔陶瓷；
(5)SiC多孔陶瓷表面改性：将SiC多孔陶瓷置于成型缸中，在保护气氛围中、控 制激光束扫描烧结，使SiC多孔陶瓷表面得到改性，得到多孔SiC晶须层；
(6)将表面改性的SiC多孔陶瓷增强体进行高压浸渗铝基体：将其放置于模具 中、并将模具放置于高压浸渍罐中，将高压浸渍罐抽为真空状态、真空度为8Pa，再将 高压浸渍罐加热至740℃并保温；然后让铝液倒吸入高压浸渍罐中、充满模具，用预热 后的Ar或N2加压至3.5MPa、保持高压及高温5h；浸渍罐自然冷却至室温、泄除高压及 模具得到表面改性SiC增强铝基复合材料。
按上述方案：步骤(5)所述的激光烧结采用的激光功率为500W，扫描速度为 900μm/s；所述的成型缸保护气为高纯Ar、工作压力为260Pa；所述激光烧结表面改性 的SiC层厚为1000μm。
实施例2
(1)将多孔碳泡沫超声清洗30min，于100℃烘箱中5h烘干待用；
(2)将(1)中的多孔碳泡沫放置于CVI管式炉主温区，以5℃/min升至1200℃， 按CH3SiCl3∶H2∶Ar为(1∶10∶10)的比例依次通入Ar、H2、CH3SiCl3，保持管式炉内压强 为300Pa，沉积12h，最后以3℃/min的速率降温至室温得到碳泡沫负载SiC预制体；
(3)将碳泡沫负载SiC预制体放入马弗炉中，于700℃保温6h、氧化法除去碳泡沫骨架得到SiC多孔陶瓷胚体；
(4)将SiC多孔陶瓷胚体进行先驱体浸渍裂解(PIP)：浸渍溶液为聚碳硅烷 (PCS)的二甲苯溶液，浸渍罐真空度为6Pa、加压至1.5MPa，并保持高压5h，固化交 联温度为105℃、时间为10h；裂解时以3℃/min的速率升温至1200℃，保温2h，再以 3℃/min的速率降温至500℃，之后随炉冷却至室温得到SiC多孔陶瓷；
(5)SiC多孔陶瓷表面改性：将SiC多孔陶瓷置于成型缸中，在保护气氛围中、控 制激光束扫描烧结，使SiC多孔陶瓷表面得到改性，得到多孔SiC晶须层；
(6)将表面改性的SiC多孔陶瓷增强体进行高压浸渗铝基体：将其放置于模具 中、并将模具放置于高压浸渍罐中，将高压浸渍罐抽为真空状态、真空度为7Pa，再将 高压浸渍罐加热至750℃并保温；然后让铝液倒吸入高压浸渍罐中、充满模具，用预热 后的Ar或N2加压至2MPa、保持高压及高温6h；浸渍罐自然冷却至室温、泄除高压及模 具得到表面改性SiC增强铝基复合材料。
按上述方案：步骤(5)所述的激光烧结采用的激光功率为400W，扫描速度为 820μm/s；所述的成型缸保护气为高纯Ar、工作压力为200Pa；所述激光烧结表面改性 的SiC层厚为820μm。
实施例3
(1)将多孔碳泡沫超声清洗30min，于100℃烘箱中5h烘干待用；
(2)将(1)中的多孔碳泡沫放置于CVI管式炉主温区，以6℃/min升至1050℃， 按CH3SiCl3∶H2∶Ar为(1∶10∶9)的比例依次通入Ar、H2、CH3SiCl3，保持管式炉内压强 为320Pa，沉积14h，最后以4℃/min的速率降温至室温得到碳泡沫负载SiC预制体；
(3)将碳泡沫负载SiC预制体放入马弗炉中，于620℃保温6h、氧化法除去碳泡沫骨架得到SiC多孔陶瓷胚体；
(4)将SiC多孔陶瓷胚体进行先驱体浸渍裂解(PIP)：浸渍溶液为聚碳硅烷 (PCS)的二甲苯溶液，浸渍罐真空度为6Pa、加压至2MPa，并保持高压4h，固化交联 温度为100℃、时间为9h；裂解时以4℃/min的速率升温至1200℃，保温2.5h，再以 3℃/min的速率降温至500℃，之后随炉冷却至室温得到SiC多孔陶瓷；
(5)SiC多孔陶瓷表面改性：将SiC多孔陶瓷置于成型缸中，在保护气氛围中、控 制激光束扫描烧结，使SiC多孔陶瓷表面得到改性，得到多孔SiC晶须层；
(6)将表面改性的SiC多孔陶瓷增强体进行高压浸渗铝基体：将其放置于模具 中、并将模具放置于高压浸渍罐中，将高压浸渍罐抽为真空状态、真空度为8Pa，再将 高压浸渍罐加热至700℃并保温；然后让铝液倒吸入高压浸渍罐中、充满模具，用预热 后的Ar或N2加压至4MPa、保持高压及高温4.5h；浸渍罐自然冷却至室温、泄除高压及 模具得到表面改性SiC增强铝基复合材料。
按上述方案：步骤(5)所述的激光烧结采用的激光功率为460W，扫描速度为 800μm/s；所述的成型缸保护气为高纯Ar、工作压力为150Pa；所述激光烧结表面改性 的SiC层厚为930μm。
上述仅为本发明的三个具体实施方式，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 (3)
1.一种表面改性SiC增强铝基复合材料，其特征在于，所述的表面改性SiC增强铝基复合材料以金属铝为基体，以表面改性的SiC多孔陶瓷为增强体。
2.一种表面改性SiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将多孔碳泡沫超声清洗30min，于100℃烘箱中5h烘干待用；
(2)将(1)中的多孔碳泡沫放置于CVI管式炉主温区，以5-10℃/min升至1050-1200℃，按CH3SiCl3∶H2∶Ar为(1∶10∶8-10)的比例依次通入Ar、H2、CH3SiCl3，保持管式炉内压强为300-500Pa，沉积12-14h，最后以3-5℃/min的速率降温至室温得到碳泡沫负载SiC预制体；
(3)将碳泡沫负载SiC预制体放入马弗炉中，于600-700℃保温6h、氧化法除去碳泡沫骨架得到SiC多孔陶瓷胚体；
(4)将SiC多孔陶瓷胚体进行先驱体浸渍裂解(PIP)：浸渍溶液为聚碳硅烷(PCS)的二甲苯溶液，浸渍罐的真空度为5-10Pa、加压至1.5-2MPa，并保持高压4-5h，固化交联温度为100-130℃、时间为8-10h；裂解时以3-5℃/min的速率升温至1200℃，保温2-3h，再以3℃/min的速率降温至500℃，之后随炉冷却至室温得到SiC多孔陶瓷；
(5)SiC多孔陶瓷表面改性：将SiC多孔陶瓷置于成型缸中，在保护气氛围中、控制激光束扫描烧结，使SiC多孔陶瓷表面得到改性，得到多孔SiC晶须层；
(6)将表面改性的SiC多孔陶瓷增强体进行高压浸渗铝基体：将其放置于模具中、并将模具放置于高压浸渍罐中，将高压浸渍罐抽为真空状态、真空度为5-10Pa，再将高压浸渍罐加热至700-750℃并保温；然后让铝液倒吸入高压浸渍罐中、充满模具，用预热后的Ar或N2加压至2-4MPa、保持高压及高温4-6h；浸渍罐自然冷却至室温、泄除高压及模具得到表面改性SiC增强铝基复合材料。
3.根据权利要求2所述的表面改性SiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的激光烧结采用的激光功率为400-500W，扫描速度为800-900μm/s；所述的成型缸保护气为高纯Ar、工作压力为100-300Pa；所述激光烧结表面改性的SiC层厚为800-1000μm。
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Addressee: Huang Haiquan Document name: Deemed as a notice of withdrawal |
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Application publication date: 20190621 |