本发明专利技术涉及一种TiC/SiC/Al复合材料，该复合材料外层为TiC反应层，内部为SiC/Al复合层，该复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)铝合金的制备：铝合金中的各元素质量百分比为：Al，50‑90wt.％；Ti，5‑20wt.％；Si，5‑30wt.％；(2)SiC陶瓷的预处理；(3)反应熔渗工艺：在箱式炉中熔化步骤(1)中所制备的铝合金得到铝合金液，并将步骤(2)中处理好的SiC陶瓷浸入到铝合金液中，放入箱式炉中保温，熔渗温度为1150‑1200℃，熔渗时间为0.5‑8h，取出试样冷却至室温即可得到TiC/SiC/Al复合材料。该复合材料在保证弯曲强度的前提下又具有较好的断裂韧性，且制备工艺简单，适于大规模工业化生产。
【技术实现步骤摘要】
一种TiC/SiC/Al复合材料
本专利技术属于陶瓷基复合材料
，具体涉及一种TiC/SiC/Al复合材料。
技术介绍
随着建筑、交通和储能等各种战略性领域的发展，目前迫切需要强韧匹配良好的新型高性能结构材料。SiC陶瓷由于具有很好的热稳定性和化学稳定性，耐腐蚀性和高强度能够满足这一要求；然而由于其韧性较差，故该材料的广泛应用受到一定的限制。为了提高SiC的韧性，人们通常向其添加一定比例的金属如铝合金来制作陶瓷-金属复合材料(CMCs)，这样可以广泛应用于电子封装，汽车，国防和航空航天等领域。近年来SiC/Al复合材料的主要制造方法是粉末冶金、挤压铸造和无压渗透，与其他制造方法相比，无压渗透法具有技术相对简单，成本低和能够实现净成型等优点，因而成为国内外研究的热点。曹琪等人(包建勋.无压浸渗工艺制备Al/SiCp复合材料的研究[J].科技创新导报，2015，21(16)67-68)采用Al-10Mg-12.6Si合金无压浸渗SiC制备净成型SiCp/Al复合材料，但由于复合材料中合金体积分数较高，合金中的高含量硅以及界面反应生成的Si，在复合材料内部长大并产生偏析，因此使制备出来的复合材料脆性增大，影响材料整体力学性能。EndoH等(UekiM,KuboH.Microstructureandmechanicalpropertiesofhot-pressedSiC-TiCcomposites[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety21(2001)93-98)以β-SiC和0～100wt.％TiC粉末为原料，B4C和C为烧结助剂，在2150℃、2h和40MPa的条件下热压烧结制备了SiC-TiC复相陶瓷材料。结果表明所制备的复合材料具有优异的力学性能(与单一的SiC和TiC材料比较)，断裂韧性和室温抗弯强度最大分别可达6MPam1/2和750MPa，但是其制备工艺需要在高温高压下完成，明显不能应用于大规模工业化生产。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种TiC/SiC/Al复合材料。该复合材料通过向铝合金中引入Ti元素，在特定温度下运用简便工艺利用合金与陶瓷的毛细作用将铝合金引入碳化硅内部的孔隙中，在心部形成SiC/Al致密化结构，并同时在碳化硅陶瓷外部原位生成TiC陶瓷层，能显著提高SiC陶瓷基复合材料的强度与韧性；且制备过程可以在常压下完成，工艺简单，能够实现尺寸净成型，适合于工业化实施与实际应用。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种TiC/SiC/Al复合材料，其特征在于该复合材料外层为TiC反应层，内部为SiC/Al复合层，该复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)铝合金的制备：铝合金中的各元素质量百分比为：Al，50-90wt.％；Ti，5-20wt.％；Si，5-30wt.％；按照上述各元素的质量百分比称取相应原料，用砂轮打磨纯铝锭，去除铝锭表面氧化皮后，一同与钛原料和硅块放置于石墨坩埚中，于真空熔炼炉中升温至800-1200℃，保温0.5-3h，期间不断搅拌，冷却后即得到成分均匀的铝合金；(2)SiC陶瓷的预处理：用金刚石切割机将SiC陶瓷切成所需的相应尺寸；然后用金刚石磨盘对SiC陶瓷表面进行打磨，打磨至表面光滑且无氧化层后，再用无水乙醇进行超声清洗，循环多次后放入烘箱中备用；(3)反应熔渗工艺：在箱式炉中熔化步骤(1)中所制备的铝合金得到铝合金液，并将步骤(2)中处理好的SiC陶瓷浸入到铝合金液中，放入箱式炉中保温，熔渗温度为1150-1200℃，熔渗时间为0.5-8h，取出试样冷却至室温即可得到TiC/SiC/Al复合材料。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：常规的无压浸渗法制备SiC/Al复合材料是利用纯铝在真空中或者惰性气体保护下浸渗SiC陶瓷，而本专利技术选用直接浸没的方式使SiC陶瓷被铝合金完全浸渗，无需压力作用和真空条件，且不需要昂贵的设备，能够用于制造大尺寸及形状复杂制品，生产成本大大降低。在毛细血管力的驱动下，熔融的铝合金不仅自发渗入陶瓷的孔隙中，而且能在表面处与SiC陶瓷反应形成致密化合物TiC，最终得到内部为SiC/Al致密化组织，外部为TiC原位反应层的复合材料。本专利技术通过基体合金化的方法向铝合金中添加Ti，Si等合金元素，调节各元素含量制备出熔点低，流动性好，成分均匀，与SiC陶瓷界面润湿性好的铝合金。合金中Si的引入一方面提高了铝合金的流动性，另一方面与Al形成了Al-Si共晶来填充SiC间隙，同时适量的Si元素可以抑制复合材料中不利的界面反应产物Al4C3的生成，而Ti通过表面吸附作用富集在SiC表面，与其反应生成了TiC层；同时通过改变浸渗温度和保温时间等工艺参数，提高渗透速率，使得铝合金能完全渗透陶瓷，获得厚度可调节的界面反应层TiC，反应层厚度最高可达200μm，同时复合材料弯曲强度最高可由原先的178MPa升高到353MPa，断裂韧性由原先的2.2MPam1/2升高到5.7MPam1/2。相比于原SiC陶瓷，复合材料强度和韧性得到显著提高。本专利技术复合材料是在严格控制熔渗温度的前提下得到的，不在该温度范围内均不能得到本申请的复合材料，且该复合材料在保证弯曲强度的前提下又具有较好的断裂韧性，且制备工艺简单，适于大规模工业化生产。附图说明图1是本专利技术实施例1中所制得TiC/SiC/Al复合材料截面边界处的SEM图；图2是本专利技术实施例1中所制得TiC/SiC/Al复合材料截面边界处的EDS图；图3是本专利技术实施例1中所制得TiC/SiC/Al复合材料截面中心部位的SEM图；图4是本专利技术实施例1中所制得TiC/SiC/Al复合材料截面中心部位的EDS图；图5是本专利技术实施例3中所制得TiC/SiC/Al复合材料表面XRD图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术TiC/SiC/Al复合材料，该复合材料外层为TiC反应层，内部为SiC/Al复合层，该复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)铝合金的制备：铝合金中的各元素质量百分比为：Al，50-90wt.％；Ti，5-20wt.％；Si，5-30wt.％；按照上述各元素的质量百分比称取相应原料，用砂轮打磨纯铝锭，去除表面氧化皮后，一同与纯钛和硅块放置于石墨坩埚中，于真空熔炼炉中升温至800-1200℃，保温0.5-3h，期间不断搅拌，冷却后即可得到成分均匀的铝合金。(2)SiC陶瓷的预处理：用金刚石切割机将SiC陶瓷切成所需的相应尺寸；然后用800目金刚石磨盘对SiC陶瓷表面进行打磨，打磨至表面光滑且无氧化层后，再用无水乙醇进行超声清洗，循环3次后放入烘箱中备用。(3)反应熔渗工艺：在箱式炉中熔化步骤(1)中所制备的铝合金得到铝合金液，并将步骤(2)中处理好的SiC陶瓷浸入到铝合金液中，放入箱式炉中保温，熔渗温度为1150-1200℃，熔渗时间为0.5-8h，取出试样冷却至室温即可得到TiC/SiC/Al复合材料。本专利技术方法通过调节铝合金中的Ti含量、熔渗温度和保温时间可以有效控制TiC在SiC表面的原位生成过程；通过调节铝合金中的Ti，Si含量可以有效控制铝合金的熔点与合金流动性，以及铝合金与SiC陶瓷的润本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种TiC/SiC/Al复合材料，其特征在于该复合材料外层为TiC反应层，内部为SiC/Al复合层，该复合材料的制备方法包括以下步骤：（1）铝合金的制备：铝合金中的各元素质量百分比为：Al，50‑90 wt.%；Ti，5‑20 wt.%；Si，5‑30 wt.%；按照上述各元素的质量百分比称取相应原料，用砂轮打磨纯铝锭，去除铝锭表面氧化皮后，一同与钛原料和硅块放置于石墨坩埚中，于真空熔炼炉中升温至800‑1200 ℃，保温0.5‑3 h，期间不断搅拌，冷却后即得到成分均匀的铝合金；（2）SiC陶瓷的预处理：用金刚石切割机将SiC陶瓷切成所需的相应尺寸；然后用金刚石磨盘对SiC陶瓷表面进行打磨，打磨至表面光滑且无氧化层后，再用无水乙醇进行超声清洗，循环多次后放入烘箱中备用；（3）反应熔渗工艺：在箱式炉中熔化步骤1中所制备的铝合金得到铝合金液，并将步骤2中处理好的SiC陶瓷浸入到铝合金液中，放入箱式炉中保温，熔渗温度为1150‑1200 ℃，熔渗时间为0.5‑8 h，取出试样冷却至室温即可得到TiC/SiC/Al复合材料。
【技术特征摘要】
1.一种TiC/SiC/Al复合材料，其特征在于该复合材料外层为TiC反应层，内部为SiC/Al复合层，该复合材料的制备方法包括以下步骤：（1）铝合金的制备：铝合金中的各元素质量百分比为：Al，50-90wt.%；Ti，5-20wt.%；Si，5-30wt.%；按照上述各元素的质量百分比称取相应原料，用砂轮打磨纯铝锭，去除铝锭表面氧化皮后，一同与钛原料和硅块放置于石墨坩埚中，于真空熔炼炉中升温至800-1200℃，保温0.5-3h，期间不断搅拌，冷却后即得到成分均匀的铝合金；（2）SiC陶瓷的预处理：用金刚石切割机将SiC陶瓷切成所需的相应尺...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔亚奇，马瑞娜，杜安，王威，曹晓明，武建军，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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