一种高性能氮化硅铝基复合材料及其制备方法技术

一种高性能氮化硅铝基复合材料及其制备方法，它涉及一种高性能氮化硅铝基复合材料及其制备方法。本发明专利技术是要解决常规方法增强体添加含量受限的问题。高性能氮化硅铝基复合材料按体积分数由5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体制成。方法：一、计算粉体质量并称量；二、粉体球磨混合；三、粉体过筛；四、预压；五、在保护气氛下进行放电等离子体烧结(SPS)。本发明专利技术用于制备铝基复合材料。

A high performance silicon nitride aluminum matrix composite and its preparation method

The invention relates to a high-performance silicon nitride aluminum matrix composite and a preparation method thereof, which relates to a high performance silicon nitride aluminum matrix composite material and a preparation method thereof. The invention aims at solving the problem that the adding content of the conventional method is limited. High performance silicon nitride aluminum matrix composites are made from 5% to 45%Si3N4 reinforcement and 55% to 95% aluminum matrix. Methods: first, the powder mass is calculated and weighed; two, powder ball milling, three, powder screening, four, preloading; five, discharge plasma sintering (SPS) under the protective atmosphere. The invention is used for the preparation of aluminum matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
一种高性能氮化硅铝基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种高性能氮化硅铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能的要求越来越高，在航空航天、汽车、电子、军事工业等许多方面，传统单一的金属、陶瓷或高分子已越来越不能满足应用的需要，复合材料的发展成为材料发展的一个重要方向。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏微观上组成的具有新性能的材料，它克服了单一材料的某些弱点，产生协同效应，使之综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。在众多金属基复合材料中，铝基复合材料往往具有较轻的密度、更高的比强度、比模量、热导率、更高的耐腐蚀性和耐磨性、更低的热膨胀系数等优势。铝基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。目前，其增强相已有很多，主要有颗粒增强、晶须增强、短纤维增强、连续相增强金属基复合材料。其中，陶瓷颗粒由于其原料成本低廉制备工艺简单，是研究最多的一类。在众多的铝基复合材料的增强体中，Si3N4陶瓷硬度高，具有一定的热导率，弹性模量高，具有热稳定性、化学稳定性和电绝缘性好等优异性能，尤其相对于其他陶瓷具有更低的热膨胀系数以及更高的韧性，是一种优异的增强相。铝基复合材料的制备方法概括起来主要有搅拌铸造法、压力浸渗法、原位自生法和粉末冶金法。浸渗法的特点是适合制备高体积分数的复合材料，体积分数可以高达50％左右；而搅拌铸造法由于存在颗粒分散性的问题适合制备低体积分数的复合材料(<10％)；原位自生法对于原位增强相的生长机制、尺寸控制和增强相的分布控制以及副产物等问题还有待进一步完善；相比较而言，粉末冶金法制备的复合材料，增强体含量范围广，同时通过改变工艺参数能够起到调控界面反应的作用，但由于粉末冶金烧结或热压时间较长，必须准确控制温度以防可能出现各种界面反应，并且由于基体与增强体界面处往往存在微空洞，需要二次加工来提高致密度，制备工艺过程复杂，成本高。放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering，SPS)工艺是的一种较为新兴的粉末冶金的制备工艺，除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，并有效利用了粉体颗粒间放电产生的自发热作用，使烧结体内各个颗粒均匀地产生焦耳热，进而使颗粒表面活化，可实现超快速致密化烧结。专利CN106435299A专利技术名称为“一种SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法”中采用搅拌铸造与挤压铸造的方式，首先熔炼得到AlMgSi合金，再将颗粒添加到熔体中搅拌，挤压铸造得到复合材料。该方法只能制备增强体体积分数为10％左右的复合材料，且小尺寸的增强体易发生团聚，导致颗粒分布不均匀，降低材料的力学性能。专利CN103667758A专利技术名称为“一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法”中，采用铝合金粉末和增强陶瓷颗粒为原料，粉末混合后压制成坯，压坯加热到铝合金的半固态温度区进行半固态加工成形，在半固态成形的同时实现铝合金粉末间的冶金结合，半固态加工坯凝固冷却、热处理后得到颗粒增强铝基复合材料。此方式制备的材料仍在致密度方面存在一定问题，且制备工艺复杂，成本高。
技术实现思路
本专利技术针对目前制备Al基复合材料方法的诸多不足，提供一种高性能氮化硅铝基复合材料及其制备方法。本专利技术一种高性能氮化硅铝基复合材料按体积分数由5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体制成；所述铝基体为铝或铝合金。本专利技术一种高性能氮化硅铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：一、按体积分数称取5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体；所述铝基体为铝或铝合金；二、将步骤一称取的5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体混合作为原料，然后采用行星式球磨机对原料进行球磨混合，运行方式为交替运行，每球磨5min间隔5min，得到混合粉体；所述球磨混合以Al2O3或ZrO2球作为研磨球；三、将步骤二得到的混合粉体过筛，然后在温度为40℃～60℃的真空干燥箱中干燥24h～36h，得到干燥粉体；四、将步骤三得到的干燥粉体装入模具，在压力为1MPa～5MPa的条件下冷压，并保压5min～10min，然后连同模具一起放入放电等离子体烧结炉中，将施加的压力从1MPa～5MPa升压至40MPa～80MPa，并在温度为480℃～610℃、压力为40MPa～80MP和保护气氛条件下烧结5min～25min，随后冷却，脱模得到复合材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用放电等离子体烧结(SPS)，升温速度快，可以击穿颗粒表面氧化膜，使颗粒表面活化，实现超快速致密化烧结，克服了常规方法增强体添加含量受限的不足，提供了一种材料成分可控、工艺简单、生产效率高的铝基复合材料制备方法。制备的材料致密度高，达到99％以上，具有优异的力学性能和热学性能，拉伸强度大于480MPa；弯曲强度大于800MPa；热膨胀系数为13×10-6℃-1～15.8×10-6℃-1；热导率大于100W/(m·K)，远超于国内外同等氮化硅含量的Si3N4/Al复合材料。附图说明图1为实施例一、实施例二和实施例三得到的复合材料的拉伸曲线对比图；其中1为25％Si3N4-6061Al；2为30％Si3N4-6061Al；3为35％Si3N4-6061Al；图2为实施例一、实施例二和实施例三得到的复合材料的弯曲强度对比图；其中1为25％Si3N4-6061Al；2为30％Si3N4-6061Al；3为35％Si3N4-6061Al；图3为实施例一、实施例二和实施例三得到的复合材料的热膨胀系数对比图；其中1为25％Si3N4-6061Al；2为30％Si3N4-6061Al；3为35％Si3N4-6061Al。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式一种高性能氮化硅铝基复合材料按体积分数由5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体制成；所述铝基体为铝或铝合金。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述Si3N4增强体是粒径为0.1μm～140μm的氮化硅颗粒或氮化硅晶须；所述铝基体的粒径为0.1μm～140μm。其他与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述Si3N4增强体是粒径为0.3～7μm的氮化硅颗粒或氮化硅晶须；所述铝基体的粒径为10μm。其他与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述Si3N4增强体是粒径为0.3～7μm的氮化硅颗粒或氮化硅晶须；所述铝基体的粒径为10μm。其他与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。其他与具体实施方式一至四之一相同。具体实施方式六：本实施方式一种高性能氮化硅铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：一、按体积分数称取5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体；所述铝基体为铝或铝合金；二、将步骤一称取的5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体混合作为原料，然后采用行星式球磨机对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能氮化硅铝基复合材料，其特征在于一种高性能氮化硅铝基复合材料按体积分数由5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体制成；所述铝基体为铝或铝合金。

【技术特征摘要】
1.一种高性能氮化硅铝基复合材料，其特征在于一种高性能氮化硅铝基复合材料按体积分数由5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体制成；所述铝基体为铝或铝合金。2.根据权利要求1所述的一种高性能氮化硅铝基复合材料，其特征在于所述Si3N4增强体是粒径为0.1μm～140μm的氮化硅颗粒或氮化硅晶须；所述铝基体的粒径为0.1μm～140μm。3.根据权利要求1所述的一种高性能氮化硅铝基复合材料，其特征在于所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。4.如权利要求1所述一种高性能氮化硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于高性能氮化硅铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：一、按体积分数称取5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体；所述铝基体为铝或铝合金；二、将步骤一称取的5％～45％Si3N4增强体和55％～95％铝基体混合作为原料，然后采用行星式球磨机对原料进行球磨混合，运行方式为交替运行，每球磨5min间隔5min，得到混合粉体；所述球磨混合以Al2O3或ZrO2球作为研磨球；三、将步骤二得到的混合粉体过筛，然后在温度为40℃～60℃的真空干燥箱中干燥24h～36h，得到干燥粉体；四、将步骤三得到的干燥粉体装入模具，在压力为1MPa～5MPa的条件下冷压，并保压5min～10min，然后连同模具一起放入放电等离子体烧结炉中，将施加的压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：修子扬，武高辉，蒋涵，芶华松，陈国钦，姜龙涛，杨文澍，张强，康彭超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23