CN113042735B

CN113042735B - 一种空心碳化硅铝基复合材料的制备方法

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Publication number: CN113042735B
Application number: CN202110122672.XA
Authority: CN
Inventors: 杨浩; 包崇玺; 颜巍巍; 童璐佳
Original assignee: Mbtm New Materials Group Co ltd
Current assignee: Mbtm New Materials Group Co ltd
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: CN113042735A

Abstract

本发明涉及一种空心碳化硅铝基复合材料的制备方法，包含以下步骤：1)原材料的准备：上下两块切割好的铝板、蜂窝铝芯、铝合金钎料、球体SiC微珠粉体、铝粉；2)焊接：在切割好的铝板表面涂上一层铝合金钎料，再将蜂窝铝芯放在铝板上，在560‑650℃氮气气氛下，焊接成一体；3)混料：将球体SiC微珠与铝合金粉体混合；4)填充物料：步骤2)已钎焊的蜂窝芯中，填充步骤3)混好的粉料，并盖上上铝板；5)烧结：将步骤4)得到的三明治结构复合材料生坯放入烧结炉内烧结得到铝基复合材料烧结件。本发明制备方法简单，利于推广和大规模生产，并且也适用于制备大型构件。

Description

一种空心碳化硅铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种空心碳化硅铝基复合材料的制备方法。

背景技术

轻量化由航空航天领域扩展到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。对于汽车而言，汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性和提升动能。另外，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。

目前，传统的轻量化材料主要为轻合金材料，例如铝合金、镁合金等。一般铝合金的密度在2.7g/cm³以上，使用复合材料的还要更高，无法满足低密度的要求。又如，铝锂合金的密度在2.6g/cm3，这是目前密度较低的铝合金，另外，虽然镁合金的密度在 1.8g/cm3左右，但是强度以及弹性模量较低，无法满足需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种密度低且强度高的空心碳化硅铝基复合材料的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种空心碳化硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)准备原材料

含铝的基板：采用纯铝板或铝合金板，有两块；

蜂窝铝芯板：呈蜂窝状；

铝合金钎料：按质量百分比计，包括以下组分：Cu：2～15％，Mg：0.2～10％，Si：0.2～10％，Zn：0～10％，余量为钎焊助剂；

球体空心SiC微珠；

铝合金粉体：按质量百分比计，包括以下组分：Cu：2～15％，Mg：0.1～10％，Si：0～30％，Zn：0～10％，Mn：0～2％，Sn：0～2％，Al：余量；

2)焊接：将其中一块基板的第一面涂覆有铝合金钎料，将蜂窝铝芯板放置在该基板的第一面上进行焊接；

3)混料：将球体空心SiC微珠与铝合金粉体进行混合形成混合粉，其中，球体空心SiC微珠体积百分比为10～75％；

4)填充物料：将步骤3)的混合粉填充至步骤2)中的蜂窝芯板的蜂窝孔中，并在蜂窝铝芯板上覆盖有另一块基板，从而形成中间层为蜂窝铝芯板与混料的复合材料生坯；

5)烧结：将步骤4)中的复合材料生坯进行烧结，从而得到复合材料烧结件。

优选地，步骤3)位于步骤2)之前，或者，步骤3)与步骤2)同步进行。

优选地，在步骤1)中，所述球体空心SiC微珠的松装密度为0.1～1.0g/cm³，抗压强度为10～200MPa，中位粒径为1～400um。球体空心SiC微珠的松装密度与粉的中位径和粉的壁厚有关；且壁越厚，强度与松装密度就会增加，导致最终的复合材料的强度与密度上升。

优选地，在步骤2)中，焊接温度为560～640℃。焊接温度过低或过高会造成“欠烧”或“过烧”，导致焊接部位结合性能较差。

优选地，在步骤5)中，烧结温度560～650℃，烧结时间为30～240min，烧结气氛为氮气、氢气、真空和氩气中的一种。

优选地，所述步骤5)中的烧结在网带炉或真空炉或压力烧结炉中进行。

优选地，在步骤4)中，对所制得的复合材料生坯进行压制，压制压力为10～200MPa。压力太大会导致球体空心SiC微珠全部破碎；压力过低，导致孔隙太多，烧结结合不好。

优选地，在步骤5)中，烧结时在复合材料生坯上放置一个压块，且使复合材料生坯承受的压力小于一个大气压。当蜂窝芯板和基板中的至少一个发生弯曲，压块的存在能使得复合材料生坯在烧结时更紧密的连接在一起。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用上述制备方法，通过在蜂窝铝芯板的蜂窝内填充球体空心SiC混合粉，并在蜂窝铝芯板的上下两个表面上设置含铝的基板，最后通过烧结制备出三层结构的铝基复合材料，其中，中间层为蜂窝铝芯板和球体空心 SiC混合层，上下两层为含铝的基板，烧结前，上下层铝的基板主要用来固定蜂窝芯中的球体空心SiC微珠与铝粉，防止粉的外漏，烧结过程进行时，铝粉中出现的液相将球体空心SiC微珠与铝粉、上下铝的基板结合在一起，形成一个整体，使得最终的铝基复合材料的密度比一般的铝合金低，且拥有较高的强度，从而达到轻量化目的，另外，制备方法简单，且由于含铝的基板以及蜂窝铝芯板的尺寸可控，利于推广和大规模生产，从而适用于制备大型的构件。

附图说明

图1为实施例1所使用球体空心SiC微珠的扫描电镜照片；

图2为实施例1所使用球体空心SiC微珠的粒径分布图；

图3为实施例1中纯铝粉、电解铜粉、Al-50Mg粉的形貌图；

图4为实施例1中蜂窝芯的结构示意图；

图5为实施例1中蜂窝铝芯单面焊接铝板后的结构示意图；

图6为实施例1中所制备的复合材料的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1至图6所示，为本发明的第1个实施例。该实施例的空心碳化硅铝基复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)准备原材料

含铝的基板1：采用6061铝合金板，尺寸规格为100mm×100mm，数量两片。

蜂窝铝芯板2：采用3003铝合金制造的蜂窝铝芯板，呈蜂窝状，其上分布有多个蜂窝孔21，且该蜂窝滤芯板的尺寸基本小于基板，具体参见图4所示；

铝合金钎料：钎料的主要成分元素为Al-Cu-Mg-Si，按质量百分比计，包括以下组分：Cu：4.2％，Mg：0.6％；Si：0.75％，余量为钎焊助剂，钎焊助焊剂可采用改善润湿性的如低熔点金属Sn、Zn、Bi等，或者，采用活性较强的含LiCi的混合熔盐、界面活性剂K₂SiF₆等。球体空心SiC微珠：松装密度为0.42g/cm³，中位粒径为156um，其微观形貌见图1，粒径分布见图2；其中，微珠为一种球状、连续粒径分布、超细、空心、超细粉的精细微珠。

铝合金粉体：按照质量百分比计，包括以下组分：Cu：4.2％，Mg：0.6％，Al：余量。其中Cu元素以电解铜方式添加，Mg元素以Al-50Mg方式添加，纯铝粉、电解铜粉、Al-50Mg的微观形貌具体参见图3所示；

2)焊接：在切割好的一块铝合金板的第一面涂上一层铝合金钎料，再将蜂窝铝芯板放在该铝合金基板的第一面上，在640℃的氮气气氛的网带炉下进行钎焊而焊接成一体，此时，蜂窝铝芯板的单面焊接有铝板进行备用，焊接后的结构具体参见图5所示；

3)混料：将球体空心SiC微珠与铝合金粉体混合形成混合粉，其中，SiC的体积百分比为70％。

4)填充物料：将球体空心SiC微珠与铝合金粉体混合粉填充到步骤2)已钎焊的蜂窝芯的蜂窝孔21中，填充完之后，再在蜂窝铝芯板的另一面上盖上另一块铝合金板，而得到中间层为铝蜂窝芯与SiC混合粉，且上下层为铝合金板的三层结构的复合材料生坯，具体参见图6所示；

5)烧结：将步骤4)得到的三层结构的复合材料生坯放入网带烧结炉内烧结得到铝基复合材料烧结件，烧结时在复合材料生坯上放置2Kg的铁块，烧结时的烧结温度为 640℃，烧结气氛为氮气，烧结后整体的密度为1.2g/cm³，抗拉强度105MPa。该实施例中的铝合金板还可以采用1系铝合金、2系铝合金、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金或者8系铝合金中的一种。

实施例2：

该实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤1)中的铝合金板的尺寸不同，具体地，该铝合金板的尺寸规格为10mm×10mm；步骤1)中的铝合金粉体不同，具体地，铝合金粉体：按照质量百分比计，包括以下组分：Cu：10％，Mg：5％，Al：余量；步骤5)中在烧结时未放置铁块，本实施例的烧结后的整体密度为1.35g/cm³，抗拉强度 130MPa。

实施例3：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤1)中的含铝的基板不同，具体地，采用5052铝合金板材，尺寸规格为10mm×10mm；步骤1)中的铝合金钎料不同，具体地，铝合金钎料：钎料的主要成分元素为Al-Cu-Mg-Si-Sn，按质量百分比计，包括以下组分：Cu：4.2％，Mg：0.6％；Si：0.75％，Sn：0.2％，余量为钎焊助剂；步骤1)中的铝合金粉体不同，具体地，铝合金粉体：按照质量百分比计，包括以下组分：Cu：10％， Mg：5％，Al：余量。

步骤3)中的SiC的体积百分比为65％；步骤5)中在烧结时未放置铁块。

本实施例的烧结后整体的密度为1.4g/cm³，抗拉强度135MPa。

实施例4：

本实施例与上述实施例2的区别仅在于：在步骤2)中的SiC的体积百分比为75％；在步骤5)中的烧结炉采用真空烧结炉，烧结后的整体密度为1.5g/cm³，抗拉强度 150MPa。

实施例5：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤1)中的含铝的基板不同，具体地，采用纯铝板材，尺寸规格为10mm×10mm；在步骤1)中的铝合金粉体不同，具体地，铝合金粉体：按照质量百分比计，包括以下组分：Cu：10％，Mg：5％，Al：余量。在步骤2)中的SiC的体积百分比为75％；烧结后的整体密度为1.5g/cm³，抗拉强度 145MPa。

实施例6：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤1)中的铝合金钎料不同，具体地，铝合金钎料按质量百分比计，Cu：2％，Mg：10％；Si：0.2％，余量为钎焊助剂；

球体空心SiC微珠：松装密度为0.1g/cm³，中位粒径为400um，抗压强度为10MPa；

铝合金粉体不同，具体地，铝合金粉体按照质量百分比计，包括以下组分：Cu：2％，Mg：10％；Si：30％，Zn：0.1％，Mn：0.1％，Sn：2％，Al：余量；

在步骤2)中所涉及到的工艺参数不同，具体地，焊接温度为560℃；步骤3)中的SiC的体积百分比为10％；在步骤4)中对制得的复合材料生坯进行压制，压制的压力为10MPa；在步骤5)中，烧结温度为560℃，烧结时间为120min。烧结后的密度为 1.4g/cm³。

实施例7：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤1)中的铝合金钎料不同，具体地，铝合金钎料按质量百分比计，Cu：15％，Mg：0.2％；Si：10％，余量为钎焊助剂；

球体空心SiC微珠：松装密度为1g/cm³，中位粒径为1um，抗压强度为200MPa；

铝合金粉体不同，具体地，铝合金粉体按照质量百分比计，包括以下组分：Cu：15％，Mg：0.1％；Si：0.2％，Zn：10％，Mn：2％，Sn：0.1％，Al：余量；步骤2)和步骤3)同时进行，且在步骤2)中所涉及到的工艺参数不同，具体地，焊接温度为600℃；在步骤4)中对制得的复合材料生坯进行压制，压制的压力为100MPa；在步骤5)中，烧结温度为650℃，烧结时间为3min，烧结气氛为氩气。烧结后的密度为1.5g/cm³。

实施例8：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：球体空心SiC微珠：松装密度为1g/cm³，中位粒径为200um，抗压强度为100MPa；

铝合金粉体不同，具体地，铝合金粉体按照质量百分比计，包括以下组分：Cu：6％，Mg：3％；Si：1％，Zn：3％，Mn：1.5％，Sn：1％，Al：余量；步骤3位于步骤2) 之前，在步骤2)中所涉及到的工艺参数不同，具体地，焊接温度为600℃；在步骤4) 中对制得的复合材料生坯进行压制，压制的压力为200MPa；在步骤5)中，烧结温度为650℃，烧结时间为240min，烧结气氛为氢气。烧结后的密度为1.5g/cm³。

Claims

1.一种空心碳化硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)准备原材料

含铝的基板：采用纯铝板或铝合金板，有两块；

蜂窝铝芯板：呈蜂窝状；

球体空心SiC微珠；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)位于步骤2)之前，或者，步骤3)与步骤2)同步进行。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述球体空心SiC微珠的松装密度为0.1～1.0g/cm³，抗压强度为10～200MPa，中位粒径为1～400um。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，焊接温度为560～640℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤5)中，烧结温度560～650℃，烧结时间为30～240min，烧结气氛为氮气、氢气、真空和氩气中的一种。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中的烧结在网带炉或真空炉或压力烧结炉中进行。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤4)中，对所制得的复合材料生坯进行压制，压制压力为10～200MPa。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤5)中，烧结时在复合材料生坯上放置一个压块，且使复合材料生坯承受的压力小于一个大气压。