具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备方法。该复合材料由体积分数为5％～90％的碳化硅和金属组成，具有微观定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。该复合材料的制备方法为：首先配制含有碳化硅粉体的水基浆料，再利用冷冻铸造和真空冷冻干燥处理浆料得到具有定向多孔结构的坯体，压缩坯体并去除坯体中的有机质，然后烧结得到碳化硅的定向多孔骨架，最后利用液态金属熔体浸渗骨架，经凝固冷却得到具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料。本发明专利技术的复合材料具有轻质、高强、耐磨等优异性能以及抗高温蠕变性能，同时其微观结构和性能可以通过调整制备工艺进行有效控制，作为结构材料具有可观的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及碳化硅增强金属基复合材料领域，尤其涉及一种具有微观定向结构的、以碳化硅增强的金属镁、镁合金与铝合金基复合材料及其制备方法。
技术介绍
实现结构材料的轻量化能够在满足安全服役所需的力学性能的前提下减轻结构件的重量，从而有利于节约能源并且减少环境污染，因此具有重要的实际意义和需求。特别是在交通运输领域，汽车的轻量化能够提高汽车的燃油效率，减少燃料消耗和尾气排放，因而已成为当今汽车发展的主要趋势之一。材料轻量化的实现主要依赖于其比强度和比刚度等力学性能。轻型合金是一类具有较高的比强度和比刚度的合金材料，主要包括密度相对较低的镁合金、铝合金和钛合金，特别是分别以镁元素和铝元素为基本组元的镁合金和铝合金，因其密度相对较低(镁的密度为1.74g/cm3，铝的密度为2.70g/cm3)，而表现出相当高的比强度和比刚度，同时具有优异的塑性和韧性等力学性能，并且加工性能优良且易于回收。此外，镁合金的阻尼和散热性能优良，具有较强的抗冲击能力以及耐有机物和碱的腐蚀能力，而铝合金具有优良的导电性、导热性和耐腐蚀性。因此，镁合金和铝合金已作为重要的结构材料被广泛应用于交通运输、工程建筑、航空航天、武器装备、电子产品等
然而，与其他金属结构材料相比，镁合金的绝对强度和刚度仍然偏低，耐磨性和耐热性差，其高温强度和抗高温蠕变性能均有待提高。以上性能缺点在铝合金中也不同程度的存在，这使得镁合金和铝合金作为轻型结构材料的应用受到较大限制。通过在金属或合金基体中引入增强相制备金属基复合材料是解决上述问题的有效途径之一。镁合金和铝合金中常用的增强相包括碳化硅、碳化钛、硼化钛、碳纤维、碳纳米管等。其中，碳化硅具有强度高、硬度大、熔点高、耐磨性和化学稳定性好等优点，并且成本相对较低。以碳化硅晶须或颗粒增强的镁合金和铝合金基复合材料相比于基体金属往往表现出更高的强度、刚度和耐磨性，同时材料在高温下的力学性能可得到显著增强。中国专利(公开号CN107523727A)公布一种掺杂有碳化硅的镁基复合材料及其制备方法，在镁合金中加入碳化硅颗粒后可以细化镁基复合材料的晶粒，复合材料的屈服强度、抗拉强度、硬度和塑性都有很大程度的提高；中国专利(公开号CN102766774A)公布一种镁合金掺杂碳化硅颗粒的增强方法，在熔炼镁合金的过程中掺杂细碳化硅和粗碳化硅颗粒，然后进行浇铸、加压和热挤压成型，提高镁合金的屈服强度、硬度和耐磨性能；中国专利(公开号CN207385299A)公布一种高模高强镁基复合材料及其制备方法，在镁合金基体中加入增强体，增强体可以是碳纳米管、碳化硅、碳化硼及石墨烯中的一种，利用强化相与位错、孪晶、晶界之间的相互作用，结合固溶、塑性变形及时效处理，大幅度提高镁合金的弹性模量；中国专利(公开号CN103074507A)公布一种刹车盘用外加碳化硅颗粒增强硅铝合金基复合材料的制备方法，该复合材料以硅铝合金为基体，通过浸润碳化硅颗粒增强，其中碳化硅颗粒浸润前需要进行化学镀铜处理，该专利技术制备的铝基复合材料重量轻、比强度和比刚度高、热膨胀系数低，具有良好的导热性和耐磨性。分析现有的碳化硅增强镁合金与铝合金基复合材料及其制备方法可知，目前复合材料中的碳化硅增强相总是均匀地分布在合金基体中，制备得到的复合材料的微观结构和性能表现为各向同性，基体与增强相以及它们之间的界面在空间上均没有特定的取向，因此碳化硅的强化效果不能集中于某一特定方向上，即增强相的强化能力没有沿某一特定方向最大限度地得到利用。然而，结构材料在实际应用中所受的主要应力往往是沿着某一特定方向的，因而主要要求材料沿该方向具有最佳的力学性能。此外，现有的复合材料及其制备方法通过在镁合金与铝合金基体中添加均匀分散的碳化硅增强相，在提高材料强度、硬度与耐磨性的同时，难以避免地会导致材料塑性与韧性的降低，这主要是由于复合材料的塑性与韧性主要由基体合金贡献，而碳化硅的添加在引入脆性相的同时，降低基体合金的完整性与连贯性，并且没有能够引入有效的增韧机制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有微观定向结构的、以碳化硅增强的金属镁、镁合金与铝合金基复合材料及其制备方法，通过微观结构设计，在不明显降低基体金属的塑性和韧性的前提下，显著提高材料的强度、硬度、耐磨性和抗高温蠕变性。为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，所述的复合材料由碳化硅和金属组成，以体积百分数计，碳化硅含量为5％～90％，其余为金属，金属是金属镁、镁合金或铝合金；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。所述的复合材料中碳化硅和金属以片层形式相间排列，其中碳化硅的片层由碳化硅颗粒、晶须或两者混合构成，片层厚度为0.5～50μm，片层间距为0.1～50μm。所述的复合材料中的金属为镁或铸造镁合金时，其压缩强度为100～900MPa，压缩应变量大于4％，断裂韧性为所述的复合材料中的金属为铸造铝合金时，其压缩强度为200～1600MPa，压缩应变量大于6％，断裂韧性为所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将碳化硅粉体和添加剂均匀分散于水中，制备得到含有碳化硅粉体的水基浆料；2)利用冷冻铸造工艺处理浆料使其中的碳化硅粉体定向排列，对凝固的浆料进行脱模和真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有定向多孔结构的碳化硅坯体；3)沿垂直于碳化硅坯体片层的方向压缩坯体，去除碳化硅坯体中的有机质，然后烧结碳化硅坯体，得到具有定向多孔结构的碳化硅骨架；4)利用液态金属熔体浸渗碳化硅骨架，使金属熔体填充骨架间隙，凝固冷却后得到具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料。步骤1)中，所述的碳化硅粉体是碳化硅晶须、颗粒或两者的组合；所述的添加剂包括有机粘结剂、分散剂和烧结助剂，该有机粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖或瓜尔胶中的一种或一种以上的组合，该分散剂是DarvanCN、聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种或一种以上的组合，该烧结助剂是氧化铝、氧化钇、氧化硅、氧化镁或氧化锆中的一种或一种以上的组合。所述的碳化硅粉体和添加剂在水中的分散工艺是搅拌、球磨或两者的组合，其中搅拌速度为10～500rpm，搅拌时间大于0.5h，球磨速度为30～500rpm，球磨时间为4～100h，磨球和浆料的质量比大于0.1。步骤2)中，所述的冷冻铸造工艺过程为：将浆料倒入模具中，通过对模具一端进行冷却，使得浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的碳化硅粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现碳化硅粉体的定向排列。步骤2)中，所述的真空冷冻干燥工艺为：将凝固的浆料进行脱模后置于冷阱温度低于-30℃、真空度低于10Pa的真空环境下，放置时间为12～120h。步骤3)中，所述的复合材料中碳化硅的体积含量通过对坯体沿垂直于片层的方向进行不同程度的压缩进行控制，压缩变形量为0％～90％，压缩变形量越大，最终制备得到的复合材料中碳化硅的体积含量越高。步骤3)中，所述的去除碳化硅坯体中含有的有机质的工艺为：对碳化硅坯体在空气中进行加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，其特征在于，所述的复合材料由碳化硅和金属组成，以体积百分数计，碳化硅含量为5％～90％，其余为金属，金属是金属镁、镁合金或铝合金；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。

【技术特征摘要】
1.一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，其特征在于，所述的复合材料由碳化硅和金属组成，以体积百分数计，碳化硅含量为5％～90％，其余为金属，金属是金属镁、镁合金或铝合金；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。2.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，其特征在于，所述的复合材料中碳化硅和金属以片层形式相间排列，其中碳化硅的片层由碳化硅颗粒、晶须或两者混合构成，片层厚度为0.5～50μm，片层间距为0.1～50μm。3.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料，其特征在于，所述的复合材料中的金属为镁或铸造镁合金时，其压缩强度为100～900MPa，压缩应变量大于4％，断裂韧性为所述的复合材料中的金属为铸造铝合金时，其压缩强度为200～1600MPa，压缩应变量大于6％，断裂韧性为4.根据权利要求1至3之一所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将碳化硅粉体和添加剂均匀分散于水中，制备得到含有碳化硅粉体的水基浆料；2)利用冷冻铸造工艺处理浆料使其中的碳化硅粉体定向排列，对凝固的浆料进行脱模和真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有定向多孔结构的碳化硅坯体；3)沿垂直于碳化硅坯体片层的方向压缩坯体，去除碳化硅坯体中的有机质，然后烧结碳化硅坯体，得到具有定向多孔结构的碳化硅骨架；4)利用液态金属熔体浸渗碳化硅骨架，使金属熔体填充骨架间隙，凝固冷却后得到具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料。5.根据权利要求4所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的碳化硅粉体是碳化硅晶须、颗粒或两者的组合；所述的添加剂包括有机粘结剂、分散剂和烧结助剂，该有机粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖或瓜尔胶中的一种或一种以上的组合，该分散剂是DarvanCN、聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种或一种以上的组合，该烧结助剂是氧化铝、氧化钇、氧化硅、氧化镁或氧化锆中的一种或一种以上的组合。6.根据权利要求4或5所述的具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳化硅粉体和添...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增乾，张明阳，张健，谈国旗，张哲峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21