一种金属基碳化硅复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及复合材料领域，公开了一种金属基碳化硅复合材料及其制备方法。所述金属基碳化硅复合材料的制备方法包括将碳纤维与碳化硅以及粘结剂混合之后依次进行热压成型和高温炭化，接着采用高温加压法往所述高温炭化的产物中渗入液相金属，之后冷却成型。本发明专利技术提供的金属基碳化硅复合材料为有机(碳纤维)‑无机(碳化硅)‑金属三相的复合材料，该材料不仅具有良好的耐高温性能，而且还具有较高的强度和韧性。此外，本发明专利技术采用碳纤维来增强金属基碳化硅复合材料，这样可以明显降低材料的密度，在材料轻量化方面具有明显的优点。

Metal matrix silicon carbide composite material and preparation method thereof

The invention relates to the field of composite materials, and discloses a metal matrix silicon carbide composite material and a preparation method thereof. The preparation method of the metal based silicon carbide composite material includes hot pressing and high temperature carbonization after mixing carbon fiber with silicon carbide and binder, and then seep into the liquid metal in the product of the high temperature carbonization by high temperature compression method, and then cooling and forming. The metal matrix silicon carbide composite material provided by the invention is an organic (carbon fiber) inorganic (silicon carbide) inorganic three-phase composite material. The material not only has good high temperature resistance, but also has high strength and toughness. In addition, the invention uses carbon fiber to enhance the metal based silicon carbide composite material, which can obviously reduce the density of the material and have obvious advantages in the light weight of the material.

【技术实现步骤摘要】
一种金属基碳化硅复合材料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，具体地，涉及一种金属基碳化硅复合材料、一种金属基碳化硅复合材料的制备方法以及由该方法制备得到的金属基碳化硅复合材料。
技术介绍
复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组成的具有新性能的材料。复合材料中的各种材料在性能上相互取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足不同要求。碳化硅不仅具有优良的耐高温、耐高热和耐腐蚀性的特性，而且还具有良好的机械强度和高硬度的特性，将其作为金属的改性增强材料所得的金属基碳化硅复合材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损的优点，但是其韧性仍相对较低，这便限制了其工程应用范围。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的金属基碳化硅复合材料的韧性较低的缺陷，而提供一种新的金属基碳化硅复合材料、一种金属基碳化硅复合材料的制备方法以及由该方法制备得到的金属基碳化硅复合材料。具体地，本专利技术提供了一种金属基碳化硅复合材料，其中，所述金属基碳化硅复合材料中含有碳纤维、碳化硅和金属，且相对于100重量份的所述碳纤维，所述碳化硅的含量为10-1000重量份，所述金属的含量为10-500重量份。本专利技术还提供了一种金属基碳化硅复合材料的制备方法，该方法包括将碳纤维与碳化硅以及粘结剂混合之后依次进行热压成型和高温炭化，接着采用高温加压法往所述高温炭化的产物中渗入液相金属，之后冷却成型；相对于100重量份的所述碳纤维，所述碳化硅的用量为10-1000重量份，所述粘结剂的用量为10-300重量份，所述液相金属的用量为10-500重量份。此外，本专利技术还提供了由上述方法制备得到的金属基碳化硅复合材料。本专利技术提供的金属基碳化硅复合材料将特定用量的碳纤维、碳化硅和金属配合使用而形成有机(碳纤维)-无机(碳化硅)-金属三相的有机整体，该材料不仅具有良好的耐高温性能，而且还具有较高的强度和韧性。此外，本专利技术采用碳纤维来增强金属基碳化硅复合材料，这样可以明显降低材料的密度，在材料轻量化方面具有明显的优点。本专利技术的专利技术人经过深入研究之后发现，在高温炭化以及采用高温加压法渗入液相金属的过程中，金属以及残余氧气会侵蚀碳纤维，这样会导致所得复合材料的强度和韧性明显下降，而采用本专利技术提供的优选方式对碳纤维的表面进行金属化后，不仅能够避免上述缺陷，而且还能够提高碳纤维与金属基体的相容性。因此，相应地，根据本专利技术的一种优选实施方式，所述碳纤维为采用以下方法制备得到的改性碳纤维：将碳纤维浸渍在处理液中以使得至少部分所述处理液附着在所述碳纤维的表面上，接着将附着有所述处理液的碳纤维进行高温处理以使得所述处理液中的有机物碳化从而形成无机氧化物层，之后进行化学镀以在经高温处理之后的碳纤维表面上沉积金属层；所述处理液中含有钛酸酯和/或硅酸酯、纤维素、络合剂，所述络合剂为含有乙酰丙酮基、羧酸根、羰基、烷氧基、叠氮基、硝酸基、胺基和卤素基中至少一种基团的化合物。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术提供的金属基碳化硅复合材料中含有碳纤维、碳化硅和金属，且相对于100重量份的所述碳纤维，所述碳化硅的含量为10-1000重量份，优选为50-800重量份，最优选为100-600重量份；所述金属的含量为10-500重量份，优选为10-400重量份，最优选为20-400重量份。根据本专利技术，优选地，所述金属基碳化硅复合材料通过将碳纤维与碳化硅以及粘结剂混合之后依次进行热压成型和高温炭化，接着采用高温加压法往所述高温炭化的产物中渗入液相金属，之后冷却成型而得到。所述碳纤维可以为改性碳纤维，也可以为非改性碳纤维。根据本专利技术的一种优选实施方式，所述碳纤维为改性碳纤维，所述改性碳纤维包括碳纤维以及在所述碳纤维表面上依次附着的无机氧化物层和金属层，所述无机氧化物层中的无机氧化物含有TiO2和/或SiO2。所述碳纤维的平均直径优选为2-20μm，更优选为2-15μm，最优选为5-15μm。所述碳纤维优选为短切碳纤维，这样能够降低后续的共混难度。所述短切碳纤维对应的平均长度优选为1-100mm，更优选为5-100mm，最优选为5-80mm。此外，所述碳纤维的规格优选为10K-50K。所述“K”所代表的含义为本领域技术人员公知，具体是指碳纤维中其中一束纤维束里所包含的纤维丝的数量。例如，1K是指一束纤维束里包含了1000根纤维丝。需要说明的是，当所述碳纤维为该改性碳纤维时，上述碳纤维的含量指的是改性碳纤维的含量，且上述金属的含量不包括碳纤维表面金属化所包含的金属的含量。根据本专利技术，在所述改性碳纤维中，所述无机氧化物层的平均厚度优选为0.1-5μm，更优选为0.5-5μm，最优选为0.5-2μm；所述金属层的平均厚度优选为0.1-10μm，更优选为0.5-10μm，最优选为0.5-8μm。根据本专利技术，在所述改性碳纤维中，所述无机氧化物层中TiO2和/或SiO2的含量优选为50-100重量％，优选为80-100重量％，特别优选为100重量％。即，所述无机氧化物层中的无机氧化物特别优选为TiO2和/或SiO2。最优选地，所述无机氧化物层中的无机氧化物为TiO2和SiO2的混合物。此时，所述混合物中TiO2和SiO2的重量比优选为0.1-10：1，更优选为0.1-5：1，最优选为1-5：1。本专利技术对所述改性碳纤维的金属层中金属以及作为金属基的金属的种类均没有特别的限定，两者可以相同，也可以不同。优选地，所述金属层中的金属选自镍、铜、镉、金和银中的至少一种，作为金属基的金属选自铝、铜、镁、镍和镉中的至少一种。根据本专利技术，所述碳化硅的粒径D50优选为1-200μm，更优选为1-150μm，最优选为10-120μm。术语“D50”表示累积方向从小到大排列，累积粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，也即样品中粒度小于D50这个值的颗粒占颗粒总数的50％。本专利技术提供的金属基碳化硅复合材料的制备方法包括将碳纤维与碳化硅以及粘结剂混合之后依次进行热压成型和高温炭化，接着采用高温加压法往所述高温炭化的产物中渗入液相金属，之后冷却成型；相对于100重量份的所述碳纤维，所述碳化硅的用量为10-1000重量份，优选为50-800重量份，更优选为100-600重量份；所述粘结剂的用量为10-300重量份，优选为10-250重量份，更优选为20-150重量份；所述液相金属的用量为10-500重量份，优选为10-400重量份，更优选为20-400重量份。根据本专利技术，如上所述，所述碳纤维可以为改性碳纤维，也可以为非改性碳纤维。根据本专利技术的一种优选实施方式，所述碳纤维为改性碳纤维，所述改性碳纤维包括碳纤维以及在所述碳纤维表面上依次附着的无机氧化物层和金属层，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属基碳化硅复合材料，其特征在于，所述金属基碳化硅复合材料中含有碳纤维、碳化硅和金属，且相对于100重量份的所述碳纤维，所述碳化硅的含量为10‑1000重量份，所述金属的含量为10‑500重量份。

【技术特征摘要】
1.一种金属基碳化硅复合材料，其特征在于，所述金属基碳化硅复合材料中含有碳纤维、碳化硅和金属，且相对于100重量份的所述碳纤维，所述碳化硅的含量为10-1000重量份，所述金属的含量为10-500重量份。2.根据权利要求1所述的金属基碳化硅复合材料，其中，所述金属基碳化硅复合材料通过将碳纤维与碳化硅以及粘结剂混合之后依次进行热压成型和高温炭化，接着采用高温加压法往所述高温炭化的产物中渗入液相金属，之后冷却成型而得到。3.根据权利要求1所述的金属基碳化硅复合材料，其中，所述碳纤维为改性碳纤维，所述改性碳纤维包括碳纤维以及在所述碳纤维表面上依次附着的无机氧化物层和金属层，所述无机氧化物层中的无机氧化物含有TiO2和/或SiO2。4.根据权利要求3所述的金属基碳化硅复合材料，其中，在所述改性碳纤维中，所述碳纤维的平均直径为2-20μm且平均长度为1-100mm，所述无机氧化物层的平均厚度为0.1-5μm，所述金属层的平均厚度为0.1-10μm。5.根据权利要求3所述的金属基碳化硅复合材料，其中，在所述改性碳纤维中，所述无机氧化物层中的无机氧化物为TiO2和SiO2的混合物；优选地，所述无机氧化物层中TiO2和SiO2的重量比为0.1-10：1；优选地，所述金属层中的金属选自镍、铜、镉、金和银中的至少一种。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的金属基碳化硅复合材料，其中，所述碳化硅的粒径D50为1-200μm，优选为1-150μm；所述金属选自铝、铜、镁、镍和镉中的至少一种。7.一种金属基碳化硅复合材料的制备方法，该方法包括将碳纤维与碳化硅以及粘结剂混合之后依次进行热压成型和高温炭化，接着采用高温加压法往所述高温炭化的产物中渗入液相金属，之后冷却成型；相对于100重量份的所述碳纤维，所述碳化硅的用量为10-1000重量份，所述粘结剂的用量为10-300重量份，所述液相金属的用量为10-500重量份。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述碳纤维为采用以下方法制备得到的改性碳纤维：将碳纤维浸渍在处理液中以使得至少部分所述处理液附着在所述碳纤维的表面上，接着将附着有所述处理液的碳纤维进行高温处理以使得所述处理液中的有机物碳化从而形成无机氧化物层，之后进行化学镀以在经高温处理之后的碳纤维表面上沉积金属层；所述处理液中含有钛酸酯和/或硅酸酯、纤维素、络合剂，所述络合剂为含有乙酰丙酮基、羧酸根、羰基、烷氧基、叠氮基、硝酸基、胺基和卤素基中至少一种基团的化合物。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述钛酸酯、纤维素、络合剂与硅酸酯的重量比为0.1-10：0.01-5：0.01-20：1。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述钛酸酯的分子式为Ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷世伟，胡文，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44