[发明专利]轻型金属基复合材料产品的制造方法及其浆料

说明书

技术领域

本发明涉及一种以轻金属作为基体的复合材料产品的制造方法

背景技术

复合材料是由基体材料和增强体材料组合在一起复合处理而制得的，它综合了基体材料和增强材料的优点，充分发挥了材料的使用性能。金属基复合材料结合了金属和陶瓷等增强体的物理力学特性，具有高比强度、高比刚度、高热导率和低热膨胀系数等优良性能，在航空航天、交通工业、电子封装等领域有广泛的应用。由于密度小和成本相对低廉，铝基和镁基复合材料已成为金属基复合材料的主要方向。从上世纪80年代初开始，世界各国竞相研究开发这类材料，从材料的制备工艺、微观组织、力学性能与断裂特性等角度进行了许多基础性研究，取得了显著成绩。美国将硼纤维增强铝合金用于航天飞机和空间站结构，高含量碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料用于战斗机电子器件和空间光学反射镜。美国、欧洲和日本将低含量的碳化硅增强铝基复合材料用于汽车发动机零件、飞机部件。我国本世纪初也开始了碳化硅增强铝基复合材料在航天光机系统中的应用研究工作。

随着近年来碳纳米管技术的迅猛发展，以该材料为增强体的金属基复合材料研究也广泛开展起来。碳纳米管(英文carbon nano tubes，简写CNTs)是一种纳米微观尺度的，具有完整分子结构的新型碳材料，由碳原子形成的六边形碳环(石墨片)卷曲而成的无缝中空的管状体。碳纳米管具有极高的弹性模量、抗拉强度和韧性，这些特性使得其特别适合作为复合材料的增强相，碳纳米管增强金属基、陶瓷基、聚合物基复合材料的研究己成为一个广泛关注的重要领域。

目前，虽然金属基复合材料(以轻金属基为主)应用技术取得了长足进步，在航空航天、交通运输和电子封装等领域也开发出了系列产品，但以下几个复合材料制备工艺局限等方面的因素极大限制了该材料的市场推广，无法发挥复合材料真正的功效。以最为成熟的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)为例：

1)低体积含量复合材料方面，采用搅拌铸造法可生产形状复杂的零件。但陶瓷含量大于20％后，陶瓷/铝混合液流动困难，难以实现高质量铸造，造成铸件性能不理想，性价比不高。搅拌铸造的碳化硅增强铝基复合材料弹性模量和热膨胀系数仅能达到90GPa和18ppm，延伸率则下降至仅为1％左右。相比铝合金的70GPa和22ppm改善幅度有限，而价格却增长了220％，多数用户难以接受；利用粉末冶金工艺制造的SiCp/Al复合材料，陶瓷含量超过20％后，因塑性差而难以制成板材和棒材等型材。增强体含量低是造成这类复合材料性能不佳的主要原因，其中粉末冶金工艺制造的复合材料，其成本甚至还高于搅拌铸造的产品，面临的市场压力可想而知。

2)高体积含量复合材料方面主要采用浸渗工艺，包括无压渗透和压力浸渗。这两种方法用于精密成型，都只能制造300mm以内的小零件。无压渗透方法可制造直径超过100cm、厚度超过12cm的板状毛坯，但要通过成本极高的机械加工去除大部分材料，才能做出工业化产品，材料浪费惊人，同样费效比很不理想，目前仅限于少量空间应用。

碳纳米管增强铝基或镁基复合材料方面，现有的两种制造工艺同样存在这些问题。搅拌铸造法只能生产CNTS含量低于2％的复合材料，增强体含量增加后会引起严重的团聚现象，使复合材料脆性加大，材质均匀性受到影响。粉末冶金法可生产CNTS含量5％的复合材料，再增加增强体比例也会产生碳纳米管团聚，性能不升反降。但这个比例的复合材料，其综合性能有限而成本并不低，再加上镁合金固有的需要采取特殊的防腐蚀手段，难以大规模应用。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种轻型金属基复合材料产品的制造方法。所述的方法使增强体含量比例与精密成型性能不能匹配导致性价比过低的问题得以解决，能够提高该类产品的综合性能，而且生产周期短，成本较低，适于大面积推广。

为达到上述目的，本发明轻型金属基复合材料产品的制造方法，所述的方法至少包括下述步骤：将增强体粉末、胶体和金属粉末按比例混合均匀形成浆料；利用注射机将混合浆料注入模具中制成素坯。

优选的，上述方法包括下述步骤：

(1)将轻型金属合金制成粉末；

(2)增强体做预处理；

(3)配制胶体；

(4)将增强体粉末、胶体和金属粉末按比例混合均匀；

(5)利用注射机将混合浆料注入模具中制成素坯；

(6)将素坯脱胶；

(7)素坯烧结和合金浸渗形成复合材料毛坯；

(8)热处理稳定组织改善力学性能；

(9)机械加工；

(10)表面处理以提高抗腐蚀性能。