CN111112582B - 一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法，将铝颗粒分散在硅溶胶中，密封搅拌，过滤后干燥处理得到改性的铝粉；将获得的改性铝粉与氧化铝和高岭土混合后机械搅拌；将得到的粉体和碳化硅搅拌混合，再加入聚乙二醇液体保持转速继续搅拌得到陶瓷粉体；将陶瓷粉体压制制成成型毛坯，经热处理后随炉冷却得到气孔率30％～40％的碳化硅预制型；将得到的碳化硅预制型进行无压浸渗铝液；冷却处理后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。本发明不但提高了铝液浸渗过程的润湿性，得到了高致密度的铝碳化硅复合材料，而且生成的莫来石晶须有利于提高复合材料的机械性能。

Description

一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法

技术领域

本发明属于金属复合材料制备技术领域，具体涉及一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法。

背景技术

高体积分数铝碳化硅复合材料具有密度轻，比模量、比刚度高，膨胀系数可调及热导率高等特性，是性能突出的结构材料和功率器件散热材料，但是它的制备成本相较于传统的结构材料较高。

传统方法制备高体积分数铝碳化硅复合材料主要是通过压力浸渗的方法将铝液压入多孔碳化硅骨架中，该方法成本高，且容易对碳化硅结构造成损伤。无压浸渗法虽然成本低，但只适合制备体积分数较低(小于55％)的铝碳化硅复合材料。如何提高陶瓷骨架和金属液之间的亲和性，降低润湿阻力，是现在科学研究的重点，也是解决阻碍铝碳化硅大规模商业化应用的关键难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法，通过在陶瓷预制型制备过程中引入微量高岭土、氧化铝和硅溶胶包覆的铝颗粒，不但提高了铝液浸渗过程的润湿性，得到了高致密度的铝碳化硅复合材料，而且生成的莫来石晶须有利于提高复合材料的机械性能。

本发明采用以下技术方案：

一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法，包括以下步骤：

S1、将铝颗粒分散在硅溶胶中，密封搅拌，过滤后干燥处理得到改性的铝粉；

S2、将步骤S1获得的改性铝粉与氧化铝和高岭土混合后机械搅拌；

S3、将步骤S2得到的粉体和碳化硅搅拌混合，再加入聚乙二醇液体保持转速继续搅拌得到陶瓷粉体；将陶瓷粉体压制制成成型毛坯，经热处理后随炉冷却得到气孔率30％～40％的碳化硅预制型；

S4、将步骤S3得到的碳化硅预制型进行无压浸渗铝液；

S5、冷却处理后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。

具体的，步骤S1中，铝颗粒的粒径为1～1.5微米，硅溶胶的含量为20％～30％。

具体的，步骤S1中，于40～50℃下密封搅拌3～5h，过滤后在60℃干燥6～12h。

具体的，步骤S2中，改性铝粉：氧化铝：高岭土的质量比为9.5：0.3:0.2。

具体的，步骤S2中，搅拌时间为6～8h，搅拌速度为1500～1800r/min。

具体的，步骤S3中，碳化硅的粒径为1～3μm，搅拌的转速为2000～2500r/min，搅拌时间为5～6h，碳化硅的比例为96％～99％，聚乙二醇液体的浓度为1％，继续搅拌时间为1～2h。

具体的，步骤S3中，模压为10～50MPa，成型毛坯于1300℃下热处理1～2h，升温速率：＜800℃，1～2℃/min；＞800℃，3～5℃/min，气孔率为30％～40％。

具体的，步骤S4中，在氮气气氛下，控制温度750～1000℃，浸渗时间1～2h，进行无压浸渗铝液。

具体的，步骤S4中，铝液中，1％≤Mg的质量分数≤3％，2％≤硅的质量分数≤10％，陶瓷预制型浸渗的最大厚度≤1cm。

具体的，步骤S5中，当温度大于等于500℃，以2℃/min的速率降温处理，当温度小于500℃时，随炉自然冷却。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法，改性的铝颗粒和陶瓷矿物粉体亲和性提高，能促进铝均匀分散在后续的陶瓷骨架中，在铝液浸渗过程中，骨架中的铝颗粒在一定时间内处于半融状态，有利于铝液在陶瓷骨架孔隙中扩散；通过在烧制陶瓷预制体过程中促进铝颗粒的氧化硅和氧化铝、高岭土作用，生成少量晶须，在最后致密产品中起到增韧的作用；得到高强度的碳化硅陶瓷预制体，预制体中存在生成的莫来石晶须，相对传统方法，预制体具有更高的强度；铝液浸渗在陶瓷预制体骨架中，得到高致密的铝碳化硅复合材料。

进一步的，密封搅拌可以防止由于硅溶胶的水分蒸发造成大量的溶胶颗粒团聚或者非均匀聚集在铝颗粒表面，过滤干燥使硅溶胶颗粒牢固吸附在铝颗粒表面。

进一步的，通过改性铝粉、氧化铝和高岭土的质量比的控制可以防止黏土矿物量过大引入缺陷，影响产品的致密度和热导。

进一步的，通过搅拌促进少量黏土矿物尽可能和铝粉均匀混合。

进一步的，改性的铝粉和碳化硅陶瓷颗粒之间的排斥力较弱，能够达到均匀混合的目的。合适的压力有利于控制热处理后得到的产品的孔隙率。

进一步的，热处理可以去除有机粘结剂，促进氧化铝、高岭土和铝颗粒表面的二氧化硅反应生成少量莫来石晶须；同时硅溶胶颗粒包覆的铝颗粒熔融后吸附在陶瓷骨架中，有利于后续铝液的浸渗，降低陶瓷骨架和金属液之间的排斥力。

进一步的，少量Mg和Si的加入有利于提高金属液和陶瓷的亲和性，但是传统无压工艺中的Mg的含量＞10％，其蒸气对于设备腐蚀严重；本发明Mg含量低，对于设备要求低，有利于降低成本。

进一步的，通过对不同的温度进行降温处理，能够消除应力。

综上所述，本发明通过铝颗粒的改性，在陶瓷预制型骨架中预先引入铝层，有利于解决传统工业生产中无压浸渗时铝液和陶瓷之间排斥难以达到高致密度的问题，同时在复合材料体系中引入少量晶须增强体，在对材料热导率影响不大的情况下有利于提高了材料的机械性能，有利于产品应用范围的加宽。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为制备的多孔陶瓷预制体图；

图2为制备的多孔陶瓷预制体的致密度对比图；

图3为制备的多孔陶瓷预制体的热导率对比图。

具体实施方式

本发明一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法，包括以下步骤：

S1、将粒径1～1.5微米的铝颗粒分散在含量为20％～30％的硅溶胶中，于40～50℃下密封搅拌3～5h，过滤后于60℃干燥6～12h，得到改性的铝粉；

S2、将上述铝粉和氧化铝、高岭土按质量比9.5：0.3:0.2混合后机械搅拌6～8h，搅拌速度为1500～1800r/min；

S3、将步骤S2中得到的粉体和1～3μm的碳化硅在2000～2500r/min的转速下搅拌混合5～6h，碳化硅的比例为96％～99％；之后加入1％的聚乙二醇液体，保持转速继续搅拌1～2h，混料完毕得到所需陶瓷粉体；在模压10～50MPa压力下将得到的陶瓷粉体压制成型，成型毛坯于1300℃下热处理1～2h，升温速率：＜800℃，1～2℃/min；＞800℃，3～5℃/min；之后随炉冷却得到碳化硅预制型，气孔率为30％～40％；

S4、将步骤S3得到的碳化硅预制型在750～1000℃，氮气气氛下进行无压浸渗铝液，铝液中，1％≤Mg的质量分数≤3％，2％≤硅的质量分数≤10％，浸渗时间为1～2h，，陶瓷预制型浸渗的最大厚度≤1cm；

S5、步骤S4完成后进行冷却处理，500℃以上按2℃/min的速率降温；500℃以下随炉自然冷却后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

S1、将粒径1微米的铝颗粒分散在含量20％的硅溶胶中，于40℃下密封搅拌3h，过滤后于60℃干燥6h，得到改性的铝粉；

S2、将上述铝粉和氧化铝、高岭土按质量比9.5：0.3：0.2混合后机械搅拌6h，搅拌速度为1500r/min；

S3、将步骤S2中得到的粉体和1μm的碳化硅在2000r/min的转速下搅拌混合5h，碳化硅的比例为96％；之后加入1％的聚乙二醇液体，保持转速继续搅拌1h，混料完毕得到所需陶瓷粉体；在模压10MPa压力下将得到的陶瓷粉体压制成型，成型毛坯于1300℃下热处理1h，升温速率：＜800℃，1℃/min；＞800℃，3℃/min；之后随炉冷却得到碳化硅预制型，气孔率为30％；

S4、将步骤S3得到的碳化硅预制型在750℃，氮气气氛下进行无压浸渗铝液，铝液中，1％≤Mg的质量分数≤3％，2％≤硅的质量分数≤10％，浸渗时间为1h，陶瓷预制型浸渗的最大厚度≤1cm；

S5、步骤S4完成后进行冷却处理，500℃以上按2℃/min的速率降温；500℃以下随炉自然冷却后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。

实施例2

S1、将粒径1.2微米的铝颗粒分散在含量为22％的硅溶胶中，于44℃下密封搅拌3.5h，过滤后于60℃干燥8h，得到改性的铝粉；

S2、将上述铝粉和氧化铝、高岭土按质量比9.5：0.3：0.2混合后机械搅拌6.5h，搅拌速度为1600r/min；

S3、将步骤S2中得到的粉体和1.5μm的碳化硅在2200r/min的转速下搅拌混合5h，碳化硅的比例为97％；之后加入1％的聚乙二醇液体，保持转速继续搅拌1h，混料完毕得到所需陶瓷粉体；在模压20MPa压力下将得到的陶瓷粉体压制成型，成型毛坯于1300℃下热处理1h，升温速率：＜800℃，1℃/min；＞800℃，3℃/min；之后随炉冷却得到碳化硅预制型，气孔率为34％；

S4、将步骤S3得到的碳化硅预制型在800℃，氮气气氛下进行无压浸渗铝液，铝液中，1％≤Mg的质量分数≤3％，2％≤硅的质量分数≤10％，浸渗时间为1h，陶瓷预制型浸渗的最大厚度≤1cm；

S5、步骤S4完成后进行冷却处理，500℃以上按2℃/min的速率降温；500℃以下随炉自然冷却后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。

实施例3

S1、将粒径1.3微米的铝颗粒分散在含量为25％的硅溶胶中，于46℃下密封搅拌4h，过滤后于60℃干燥10h，得到改性的铝粉；

S2、将上述铝粉和氧化铝、高岭土按质量比9.5：0.3:0.2混合后机械搅拌7h，搅拌速度为1700r/min；

S3、将步骤S2中得到的粉体和2μm的碳化硅在2300r/min的转速下搅拌混合5.5h，碳化硅的比例为98％；之后加入1％的聚乙二醇液体，保持转速继续搅拌1.5h，混料完毕得到所需陶瓷粉体；在模压30MPa压力下将得到的陶瓷粉体压制成型，成型毛坯于1300℃下热处理1.5h，升温速率：＜800℃，1℃/min；＞800℃，4℃/min；之后随炉冷却得到碳化硅预制型，气孔率为36％；

S4、将步骤S3得到的碳化硅预制型在900℃，氮气气氛下进行无压浸渗铝液，铝液中，1％≤Mg的质量分数≤3％，2％≤硅的质量分数≤10％，浸渗时间为1.5h，陶瓷预制型浸渗的最大厚度≤1cm；

S5、步骤S4完成后进行冷却处理，500℃以上按2℃/min的速率降温；500℃以下随炉自然冷却后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。

实施例4

S1、将粒径1.4微米的铝颗粒分散在含量为28％的硅溶胶中，于48℃下密封搅拌4.5h，过滤后于60℃干燥11h，得到改性的铝粉；

S2、将上述铝粉和氧化铝、高岭土按质量比9.5：0.3：0.2混合后机械搅拌7.5h，搅拌速度为1750r/min；

S3、将步骤S2中得到的粉体和2.5μm的碳化硅在2400r/min的转速下搅拌混合5.5h，碳化硅的比例为98％；之后加入1％的聚乙二醇液体，保持转速继续搅拌1.5h，混料完毕得到所需陶瓷粉体；在模压40MPa压力下将得到的陶瓷粉体压制成型，成型毛坯于1300℃下热处理1.5h，升温速率：＜800℃，2℃/min；＞800℃，4℃/min；之后随炉冷却得到碳化硅预制型，气孔率为38％；

S4、将步骤S3得到的碳化硅预制型在950℃，氮气气氛下进行无压浸渗铝液，铝液中，1％≤Mg的质量分数≤3％，2％≤硅的质量分数≤10％，浸渗时间为1.5h，陶瓷预制型浸渗的最大厚度≤1cm；

S5、步骤S4完成后进行冷却处理，500℃以上按2℃/min的速率降温；500℃以下随炉自然冷却后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。

实施例5

S1、将粒径1.5微米的铝颗粒分散在含量30％的硅溶胶中，于50℃下密封搅拌5h，过滤后于60℃干燥12h，得到改性的铝粉；

S2、将上述铝粉和氧化铝、高岭土按质量比9.5：0.3：0.2混合后机械搅拌8h，搅拌速度为1800r/min；

S3、将步骤S2中得到的粉体和3μm的碳化硅在2500r/min的转速下搅拌混合6h，碳化硅的比例为99％；之后加入1％的聚乙二醇液体，保持转速继续搅拌2h，混料完毕得到所需陶瓷粉体；在模压50MPa压力下将得到的陶瓷粉体压制成型，成型毛坯于1300℃下热处理2h，升温速率：＜800℃，2℃/min；＞800℃，5℃/min；之后随炉冷却得到碳化硅预制型，气孔率为40％；

S4、将步骤S3得到的碳化硅预制型在1000℃，氮气气氛下进行无压浸渗铝液，铝液中，1％≤Mg的质量分数≤3％，2％≤硅的质量分数≤10％，浸渗时间为2h，陶瓷预制型浸渗的最大厚度≤1cm；

S5、步骤S4完成后进行冷却处理，500℃以上按2℃/min的速率降温；500℃以下随炉自然冷却后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。

请参阅图1，制备的多孔陶瓷预制体，孔隙分布比较均匀，相互联通，有利于铝液的浸渗，同时部分细小的链状结构搭接在骨架中，在浸渗密实的复合材料中可以起到增强作用。

请参阅图2，碳化硅体积分数为60％、65％、70％时材料的致密度，所有材料的致密度均达到96％以上，说明铝液在无压工艺下可以有效的填充到陶瓷骨架中，金属铝液和陶瓷骨架的排斥力明显减弱。

请参阅图3，碳化硅体积分数为60％、65、70％时材料的热导率：所有产品的热导率均大于175W/mK，说明材料具有高的致密度。

综上所述，本发明相比传统无压工艺，所需Mg和硅的含量低，可以减小镁蒸气的蒸发量，有效保护发热体，对设备要求低。所得到的复合材料致密度高于96％，热导率大于175W/wK,弯曲强度大于400MPa，材料综合性能优异，结合本发明技术方案可操作性强，有利于更大规模推广应用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高致密度铝碳化硅复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将铝颗粒分散在硅溶胶中，铝颗粒的粒径为1~1.5微米，硅溶胶的含量为20%~30%，密封搅拌，过滤后干燥处理得到改性的铝粉；

S2、将步骤S1获得的改性铝粉与氧化铝和高岭土混合后机械搅拌，改性铝粉：氧化铝：高岭土的质量比为9.5：0.3:0.2；

S3、将步骤S2得到的粉体和碳化硅搅拌混合，再加入聚乙二醇液体保持转速继续搅拌得到陶瓷粉体；将陶瓷粉体压制制成成型毛坯，经热处理后随炉冷却得到气孔率30%~40%的碳化硅预制型；

S4、将步骤S3得到的碳化硅预制型进行无压浸渗铝液，在氮气气氛下，控制温度750~1000℃，浸渗时间1~2h，进行无压浸渗铝液，铝液中，1%≤Mg的质量分数≤3%，2%≤硅的质量分数≤10%，碳化硅预制型浸渗的最大厚度为1cm；

S5、冷却处理后制得高致密度的铝碳化硅复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，于40~50℃下密封搅拌3~5h，过滤后在60℃干燥6~12h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，搅拌时间为6~8h，搅拌速度为1500~1800r/min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，碳化硅的粒径为1~3μm，搅拌的转速为2000~2500r/min，搅拌时间为5~6h，碳化硅的比例为96%~99%，聚乙二醇液体的浓度为1%，继续搅拌时间为1~2h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，模压为10~50MPa，成型毛坯于1300℃下热处理1~2h，升温速率：＜800℃，1~2℃/min；＞800℃，3~5℃/min，气孔率为30%~40%。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S5中，当温度大于等于500℃，以2℃/min的速率降温处理，当温度小于500℃时，随炉自然冷却。

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