一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法技术

技术编号:15757586 阅读:266 留言:0更新日期:2017-07-05 04:28
本发明专利技术是一种高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料的制备方法,包括SiC粉体的氧化处理、TiO

Preparation method of high volume fraction SiC reinforced Al base composite material

The invention relates to a preparation method of a high volume fraction SiC particle reinforced Al base composite material, which comprises the oxidation treatment of SiC powder and TiO

【技术实现步骤摘要】
一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法
本专利技术涉及金属基复合材料材料领域,具体涉及一种高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料的制备方法。
技术介绍
碳化硅(SiC)具有高熔点、高机械强度、高热稳定性、良好的化学稳定性、低热膨胀系数等优良的性能;Al具有许多突出的优点,如可塑性好、质量轻、工艺技术容易掌握,易于加工等,结合二者的优势制备出的高体积分数SiC增强Al基复合材料具有比强度和比刚度高、高温性能好、耐疲劳和耐磨、阻尼性能好、热膨胀系数低、高电导率等特点,成为当下最具前途的新型结构材料之一,在电子封装、航空航天、化工、军工等领域有着广泛的应用。目前,常见的高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料的制备方法有粉末冶金法、挤压铸造法、真空压力渗透法等。张强等增强体选择了粒径分别为20、40和60μm的3种α-SiC颗粒,基体合金为LD11铝合金(主要化学成分11.99%Si,0.5%~1.3%Cu,0.8%~1.3%Mg,1.0%Fe,0.5%~1.3%Ni,其余为Al)以电子封装为应用对象,通过合理选择一定粒径分布的SiC颗粒,采用挤压铸造方法制备了SiC颗粒体积分数分别为50%,60%和70%的3种SiCp/Al复合材料。(张强,陈国钦,武高辉,等.含高体积分数SiCp的铝基复合材料制备与性能[J].中国有色金属学报,2003,13(5):1180-1183.)庆平王等采用合金化的方式和无压浸渗法制备出了高体积分数SiC的SiCp/Al复合材料。其研究发现以酸洗过的SiC颗粒及造孔剂Fe(NO3)3·9H2O为主要原料,采用硬脂酸锌作为润滑剂,水玻璃作为粘接剂并以Al-10Si-8Mg合金为基体制备的复合材料组织均匀,致密度好,无明显气孔缺陷;界面反应产物为Mg2Si、MgAl2O4和Fe,其弯曲强度高于以Al-10Si合金为基体制备的复合材料的弯曲强度。(庆平王,玉程吴,洪雨,等.含高体积分数SiCp的Al复合材料微观组织及弯曲性能[J].中国有色金属学报.)陈成等以绿色SiC颗粒(纯度>99%,平均粒径为30μm)、Al粉和Si粉的混合物(Al-10%(质量分数)Si合金粉,平均粒径为75μm)为原料。通过对SiC颗粒进行表面改性处理,并向Al基体中添加Si元素合金化,采用真空压力渗透法(热压烧结方法)制备了Al-10Si-50%(质量分数)SiC复合材料,研究了复合材料的微观组织和导热性能。(陈成,张国玲,于化顺,等.高体积分数SiCp/Al-Si复合材料的微观组织与导热性能[J].功能材料,2012,43(19):2675-2679.)上述几种方法中,挤压铸造法容易出现气体或夹杂物,缺陷比较多,需增强颗粒需预先制成预成型体,预成型体对产品质量影响大,模具造价高,而且复杂零件的生产比较困难。真空压力浸渗法需要专门的设备以提供高压和真空,设备成本高,且难以精确控制其体积分数。与其他方法相比,粉末冶金法制备的SiC增强A1基复合材料具有成分比例准确、增强体在A1基中分布均匀、烧结温度低等优点,但其制备工艺过程中需要在稀有气体保护下烧结,A1液的粘度较大,气体并难以排出,烧结后产生较多孔隙;此外,烧结时间较长,容易出现各种不利的界面反应,使得制备的SiC增强A1基复合材料界面结合状态不佳、组织均匀性差,即便对其进行二次加工,在后续处理过程中孔隙依然不易消除,界面结合状态难以得到有效改善,导致所制的SiC增强A1基复合材料孔隙率较高、力学性能不佳。此外,二次加工使得制备周期加长、工艺复杂程度和成本增加。这些都制约了粉末冶金法制备SiC增强A1基复合材料的大规模应用。
技术实现思路
:本专利技术所要解决的技术问题是:鉴于现制备高体积分数的SiC颗粒增强A1基复合材料所存在的技术缺限和不足,提供一种制备成本相对低廉,工艺流程简化,SiC颗粒与融熔A1界面结合性提高,最终获得强度较高、低孔隙率、高体积分数的SiC增强Al基复合材料的方法,且适宜工业化大规模生产。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案:本专利技术提供的高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法,包括以下步骤:(1)SiC粉体的氧化处理:将SiC粉体放置高温电炉中,1100-1200℃下氧化处理2-3h,使其表面形成一层致密的SiO2层;(2)TiO2溶胶的制备:将水和酒精按照质量比1:9-11配置成混合溶液,其中水的质量为5-8g,加入冰醋酸调节pH值至2-4,在其中取10-12g混合溶液,将钛酸丁酯和混合溶液按照质量比6-9:1混合,经水浴加热及搅拌后,得到透明稳定的TiO2溶胶;(3)SiC粉体表面涂覆:将TiO2溶胶与PVB的混合溶胶按照加入SiC粉体质量的10-15%加入到氧化处理后的SiC粉体中,用KNM型快速研磨机混料2-4h;(4)还原气氛下高温煅烧:将经过上述处理后的SiC粉体置于还原气氛下进行热处理,得到形貌致密的TiO2-C复合层;(5)混料:设置氧化处理后的SiC粉体占混合原料的体积分数为50-65%,金属Al粉占混合原料的体积分数为30-49%,向原料中添加不同百分含量的烧结助剂,将混合原料放置KNM型快速研磨机中混合2-4h,得到均匀性良好的混合原料;(6)成型:向均匀性良好混合原料中加入5-8wt%PVB,搅拌均匀后,100-110℃干燥处理1-2h,用粉末压片机压制成型形成预成体,再将预成体用冷等静压器处理1-2h,得到SiC增强Al基复合材料生胚;(7)Ar气氛保护烧结:将SiC增强Al基复合材料生胚放置管式气氛炉中,设置烧结温度为1050-1150℃,Ar气氛下保护烧结,升温速率3-4℃/min,到达预定烧结温度后保温2-3h,得到SiC增强Al基复合材料预成品;(8)冷却:将SiC增强Al基复合材料预成品自然冷却至660-670℃,保温1-3h,随炉冷却,待其冷却至室温,取出样品,得到SiC颗粒增强铝基复合材料成品。上述步骤(1)中,所述SiC粉体粒径分别为600目、300目、150目,按照质量比为1:1-1.2:2-2.4配料。上述步骤(2)中,水浴加热30-40℃,搅拌2-4h。上述步骤(3)中,得到SiC粉体表面上涂覆的复合层为TiO2溶胶与PVB的混合溶胶复合层。上述步骤(4)中,热处理工艺为:以4-5℃/min从室温升温到450-460℃,保温1-2h,再以4-5℃/min升温至800-850℃,保温2-4h。上述步骤(5)中,以Na3AlF6作为烧结助剂。添加的烧结助剂量为1wt%-5wt%。本专利技术方法制备的SiC增强Al基复合材料,其技术参数为:181.7-203.5Mpa、致密率为91.0%-95.3%。本专利技术方法制备的SiC增强Al基复合材料,其在电子封装、航空航天、化工或军工领域中的应用。本专利技术的基本机理为:在烧结温度为1050-1150℃,Ar气氛保护下,SiC颗粒表面的TiO2-C复合层与融熔Al在界面处发生了有利于SiC颗粒增强Al基复合材料界面结合的反应,4Al(l)+3TiO2(s)+3C(s)=2Al2O3(s)+3TiC(s),且反应产物中的TiC与熔融Al的润湿性良好,致使融熔A1与SiC颗粒间的界面结合性能进一步提高,材料的致密度增加。此外,原料本文档来自技高网
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一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法

【技术保护点】
一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:(1)SiC粉体的氧化处理:将SiC粉体放置高温电炉中,1100‑1200℃下氧化处理2‑3h,使其表面形成一层致密的SiO

【技术特征摘要】
1.一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:(1)SiC粉体的氧化处理:将SiC粉体放置高温电炉中,1100-1200℃下氧化处理2-3h,使其表面形成一层致密的SiO2层;(2)TiO2溶胶的制备:将水和酒精按照质量比1:9-11配置成混合溶液,其中水的质量为5-8g,加入冰醋酸调节pH值至2-4,在其中取10-12g混合溶液,将钛酸丁酯和混合溶液按照质量比6-9:1混合,经水浴加热及搅拌后,得到透明稳定的TiO2溶胶;(3)SiC粉体表面涂覆:将TiO2溶胶与PVB的混合溶胶按照加入SiC粉体质量的10-15%加入到氧化处理后的SiC粉体中,用KNM型快速研磨机混料2-4h;(4)还原气氛下高温煅烧:将经过上述处理后的SiC粉体置于还原气氛下进行热处理,得到形貌致密的TiO2-C复合层;(5)混料:设置氧化处理后的SiC粉体占混合原料的体积分数为50-65%,金属Al粉占混合原料的体积分数为30-49%,向原料中添加不同百分含量的烧结助剂,将混合原料放置KNM型快速研磨机中混合2-4h,得到均匀性良好的混合原料;(6)成型:向均匀性良好混合原料中加入5-8wt%PVB,搅拌均匀后,100-110℃干燥处理1-2h,用粉末压片机压制成型形成预成体,再将预成体用冷等静压器处理1-2h,得到SiC增强Al基复合材料生胚;(7)Ar气氛保护烧结:将SiC增强Al基复合材料生胚放置管式气氛炉中,设置烧结温度为10...

【专利技术属性】
技术研发人员:王浩杨小剑许建航
申请(专利权)人:武汉理工大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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