氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料及其制备方法和应用，该复合材料包括铝基体和Si3N4泡沫陶瓷，Si3N4泡沫陶瓷包括Si3N4泡沫陶瓷骨架及原位生长在Si3N4泡沫陶瓷骨架孔壁上的柱状β‑Si3N4晶粒，铝基体均匀填充于Si3N4泡沫陶瓷骨架的孔隙中，柱状β‑Si3N4晶粒被铝基体包覆。该复合材料的制备方法，包括以下步骤：采用真空气压熔渗工艺使液态金属铝压入Si3N4泡沫陶瓷骨架的孔隙内，得到Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料。该Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料具有韧性好、耐冲蚀磨损、机械加工性能良好等优点，该制备方法工艺简单、适宜批量生产。

Silicon nitride foam ceramic reinforced aluminum matrix composite and its preparation and Application

The invention discloses a Si3N4 foam ceramic reinforced aluminum matrix composite and a preparation method and application thereof. The composite material comprises aluminum matrix and Si3N4 foam ceramic, and Si3N4 foam ceramic comprises a Si3N4 foam ceramic skeleton and columnar beta Si3N4 grains in situ grown on the Si3N4 foam ceramic skeleton hole wall, and the aluminum matrix is uniformly filled in Si3. In the pores of N4 foam ceramic skeleton, columnar beta Si3N4 grains are coated by aluminum matrix. The preparation method of the composite material comprises the following steps: pressing the liquid metal aluminum into the pores of the Si3N4 foam ceramic skeleton by adopting the vacuum pressure infiltration process, and obtaining the Si3N4 foam ceramic reinforced aluminum matrix composite. The Si3N4 foam ceramic reinforced aluminum matrix composite has the advantages of good toughness, erosion wear resistance and good machinability. The preparation process is simple and suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于复合材料
，尤其涉及一种Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
冲蚀磨损是一种动态磨损形式，它是由富含硬质颗粒的流体相对固体表面运动，使固体表面不断受到硬质颗粒的碰撞冲击造成的磨损。这种形式的磨损存在于各类浆料输送管道，如建筑行业用混泥土输送管道、采煤行业中的输煤管道以及水下工作的抽砂管道等。除此之外，工作在风沙环境中的飞机和高速列车的外部构件由于受到微小砂石颗粒的冲击，也表现出类似的磨损机制。为了提高管道的耐冲蚀磨损性能，对于管道而言，现在常用的技术手段是研发出具有更高硬度的耐磨钢。提高管道钢材的硬度虽然可以提高其耐磨性，然而其耐浆料磨损性能提升幅度有限。除此之外，也有尝试向材料中引入硬质的陶瓷颗粒或者陶瓷纤维以增加材料的耐浆料磨损性能。然而，相关研究表明：在浆料连续的冲蚀磨损作用下，复合材料基体中的增强体颗粒或者纤维会因周围基体的磨损而不断暴露，并在浆料中颗粒的冲击作用下而与基体脱粘，最终造成复合材料的严重磨损。采用管道内部增加陶瓷衬套的方法虽然可以较大幅度提高管道的耐冲蚀磨损性能，但是由于陶瓷材料的脆性大，导致其在受到浆料中颗粒的冲击作用时容易发生开裂甚至灾难性破坏，进而影响到其正常使用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种韧性好、耐冲蚀磨损、机械加工性能良好的Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料，还相应提供一种方法简单、可批量生产的上述Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，另外，还提供该Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料作为耐冲蚀磨损材料的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料，包括铝基体和Si3N4泡沫陶瓷，所述Si3N4泡沫陶瓷包括Si3N4泡沫陶瓷骨架及原位生长在Si3N4泡沫陶瓷骨架孔壁上的柱状β-Si3N4晶粒，所述铝基体均匀填充于Si3N4泡沫陶瓷骨架的孔隙中，所述柱状β-Si3N4晶粒被铝基体包覆。上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料，优选的，所述柱状β-Si3N4晶粒的柱长为1μm～5μm，所述柱状β-Si3N4晶粒的柱直径为50nm～400nm。上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料，优选的，所述Si3N4泡沫陶瓷骨架的开孔率为49％～80％，孔径为50μm～500μm。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：采用真空气压熔渗工艺使液态金属铝压入Si3N4泡沫陶瓷骨架的孔隙内，得到Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料。上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，优选的，所述氮化硅泡沫陶瓷由以下方法制备：(1)在含α-Si3N4粉的浆料中加入蛋白粉，球磨至发泡，得到泡沫浆料；(2)将泡沫浆料注入模具中，在水浴中使泡沫浆料固化，脱模，干燥，烧除蛋白质，得到泡沫陶瓷素坯；(3)将泡沫陶瓷素坯置于保护气氛下进行烧结，形成氮化硅泡沫陶瓷。上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述含α-Si3N4粉的浆料包括α-Si3N4粉、去离子水、质量浓度为25％的四甲基氢氧化铵水溶液、氧化铝和氧化钇。上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，优选的，所述α-Si3N4粉与水的质量比为96～112∶100，所述氧化铝相对于氮化硅粉的添加量为2wt％～3wt％，所述氧化钇相对于氮化硅粉的添加量为3wt％～6wt％，所述蛋白质相对于去离子水的添加量为9wt％，所述四甲基氢氧化铵水溶液与去离子水的体积比为4∶120。上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，所述烧结分以下两步进行：(3.1)第一步烧结：在真空条件下以17℃/min的升温速率升至1000℃后，充氮气至氮气压力为0.3MPa，以5℃/min的升温速率升至1550℃，保温0.5h；再以10℃/min的降温速率降至1200℃；停止通入氮气，随炉冷却；(3.2)第二步烧结：在真空条件下以17℃/min的升温速率升至1000℃后，充氮气至氮气压力为0.3MPa，以5℃/min的升温速率升至1700℃，接着以2℃/min的升温速率升至1820℃，保温1.5h；再以10℃/min的降温速率降至1200℃；停止通入氮气，随炉冷却。上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，优选的，所述真空气压熔渗工艺中，真空度≤200Pa，Si3N4泡沫陶瓷温度为630℃，液态金属铝温度为710℃，气体压力为10MPa。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料或上述的制备方法所制备的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料作为耐冲蚀磨损材料的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料，Si3N4泡沫陶瓷骨架具有较高的硬度和强度，并且整体性和一致性比较好，能够抵抗浆料磨损进而较好的保护铝基体；同时，铝基体均匀填充于Si3N4泡沫陶瓷骨架的孔隙中，赋予该Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料较高的“韧性”，并且，铝基体包覆Si3N4泡沫陶瓷骨架孔壁上的柱状β-Si3N4晶粒所形成的包覆结构，提高了Si3N4泡沫陶瓷与铝基体的结合力及复合材料的整体性，从而进一步提高了该Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的“韧性”，保证复合材料在浆料磨损过程中不发生脆性断裂。2、本专利技术的Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料中，Si3N4泡沫陶瓷骨架孔壁上的柱状β-Si3N4晶粒柱长达1μm～5μm，柱直径达100nm～300nm，在与铝基体复合过程中能牢固地与铝基体结合，进一步提高了该Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的“韧性”。3、本专利技术Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，通过蛋白发泡法制备Si3N4泡沫陶瓷，力学性能优异，在与铝基体复合过程中不易损坏，产品合格率较高。进一步地，采用两步烧结工艺，最后烧结过程中原位生长于Si3N4泡沫陶瓷骨架孔壁上的柱状β-Si3N4晶粒柱长达1μm～5μm，柱直径达100nm～300nm，在被液态金属铝包覆、冷却后，能牢固地与其周围的铝基体结合，提高了所得复合材料的整体性，从而进一步提高了所得的Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的“韧性”。4、本专利技术中所用到的原料成本低廉，工艺方法简单，容易实现批量生产。附图说明图1为本专利技术实施例1中步骤(1)所制备的氮化硅泡沫陶瓷的微观形貌图。图2为本专利技术实施例1中步骤(1)所制备的氮化硅泡沫陶瓷的孔壁的微观形貌图。图3为本专利技术实施例1制备的Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的抛光截面微观形貌图，其中，(b)图为(a)图的局部放大图。图4为本专利技术实施例1制备的Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的载荷位移曲线图。图5为本专利技术实施例1制备的Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的断口微观形貌图，其中，(b)图为(a)图的局部放大图。图6为本专利技术实施例2中步骤(1)所制备的氮化硅泡沫陶瓷的微观形貌图。图7为本专利技术实施例2中步骤(1)所制备的氮化硅泡沫陶瓷的孔壁的微观形貌图。图8为本专利技术实施例2制备的Si3N4泡沫陶瓷增强铝基复合材料的载荷位移曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料，其特征在于，包括铝基体和Si3N4泡沫陶瓷，所述Si3N4泡沫陶瓷包括Si3N4泡沫陶瓷骨架及原位生长在Si3N4泡沫陶瓷骨架孔壁上的柱状β‑Si3N4晶粒，所述铝基体均匀填充于Si3N4泡沫陶瓷骨架的孔隙中，所述柱状β‑Si3N4晶粒被铝基体包覆。

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料，其特征在于，包括铝基体和Si3N4泡沫陶瓷，所述Si3N4泡沫陶瓷包括Si3N4泡沫陶瓷骨架及原位生长在Si3N4泡沫陶瓷骨架孔壁上的柱状β-Si3N4晶粒，所述铝基体均匀填充于Si3N4泡沫陶瓷骨架的孔隙中，所述柱状β-Si3N4晶粒被铝基体包覆。2.根据权利要求1所述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料，其特征在于，所述柱状β-Si3N4晶粒的柱长为1μm～5μm，所述柱状β-Si3N4晶粒的柱直径为50nm～400nm。3.根据权利要求1所述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料，其特征在于，所述Si3N4泡沫陶瓷骨架的开孔率为49％～80％，孔径为50μm～500μm。4.一种如权利要求1～3任一项所述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：采用真空气压熔渗工艺使液态金属铝压入Si3N4泡沫陶瓷骨架的孔隙内，得到氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料。5.根据权利要求4所述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述氮化硅泡沫陶瓷由以下方法制备：(1)在含α-Si3N4粉的浆料中加入蛋白粉，球磨至发泡，得到泡沫浆料；(2)将泡沫浆料注入模具中，在水浴中使泡沫浆料固化，脱模，干燥，烧除蛋白质，得到泡沫陶瓷素坯；(3)将泡沫陶瓷素坯置于保护气氛下进行烧结，形成氮化硅泡沫陶瓷。6.根据权利要求5所述的氮化硅泡沫陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述含α-Si3N4粉的浆料包括α-Si3N4粉、去离子水、质量浓度为25％的四甲基氢氧化铵水溶液、氧化铝和氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：周新贵，殷刘彦，王洪磊，余金山，李明远，黎畅，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43