[发明专利]高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高体积分数碳化硅颗粒(SiC_p)增强铝基复合材料及其制备方法，特别涉及一种高体分SiC_p增强铝基复合材料的粉末冶金制备工艺，制备的复合材料能够应用于航天光学遥感器光机结构件，属于新材料研发领域。

技术背景

颗粒增强铝基复合材料以其显著的性能优势在空间技术、高速交通、电子元器件等高技术领域发挥了重要作用，是典型的高技术新材料。SiC_p是颗粒增强铝基复合材料中最广泛使用的一种强化相，这是由于SiC_p具有优良的综合性能，例如其弹性模量高达420～450GPa(Al弹性模量70GPa)，热膨胀系数4.0×10^-6K^-1(Al热膨胀系数23.5×10^-6K^-1)，弯曲强度550MPa，密度仅为3.2g/cm³，将SiC_p作为Al(合金)基体的强化相，从理论上可大大提高Al(合金)材料的弹性模量，降低热膨胀系数。例如，在航天应用方面，体积分数高达50～60％的SiC_p增强Al基复合材料具有极高的比刚度、比强度、低的热膨胀系数、良好的热导率和低的密度、良好耐磨性和较高的尺寸稳定性，已经被用作空间光学遥感器光机支撑结构件。然而，一方面，SiC_p体积分数高达50～60％时复合材料较难致密，材料中孔隙的存在会对材料性能造成较大影响，这对材料制备工艺提出了相当大的要求；另一方面，由于高体积分数SiC_p增强的铝基复合材料本身高的脆性和硬度，使得该类材料具有相当大的机械加工难度，必须选用特殊的刀具才能进行加工；再者，由于光机结构件的特殊的尺寸外形要求，所需构件往往为大尺寸，如“制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料”(崔岩，李丽富，李景林，任建岳.光学精密工程，2007，15(8)：1175-1180.)所制备的空间光机结构件尺寸为650mm×500mm×85mm)，和薄壁化的构件，这进一步加大了材料制备难度。因此，选择合适的制备工艺是高体分SiC_p/Al基复合材料制备亟待解决的问题。

高体分SiC_p/Al基复合材料的制备通常采用无压浸渗、压力浸渗、粉末冶金等方法。无压浸渗方法制备高体分SiC_p/Al基复合材料已有专利和文献公开报道，如专利“一种复杂形状高体分比SiC_p/Al基复合材料的制备方法”采用无压浸渗方法制备复合材料，制备过程需要通过复杂工序制备预制体骨架，材料制备温度高达800-1200℃。文献“制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料”(崔岩，李丽富，李景林，任建岳.光学精密工程，2007，15(8)：1175-1180)报道采用无压浸渗工艺制备空间大尺寸光机结构件用的55～57vol％SiC/Al基复合材料，材料制备温度高达800℃。压力浸渗工艺用于制备该类材料时，也需要制备SiC_p预制体骨架，制备过程中通过对熔体施加一定压力完成熔体对骨架材料的浸渗过程，制备温度通常在800℃以上。无压浸渗与压力浸渗工艺较高的制备温度对制备设备提出了很高的要求，且由于制备温度高、保温时间长，制备的铝基复合材料中存在缩孔、气孔(较难致密)以及高温时易产生Al₄C₃脆性相，Al₄C₃相在空气中容易潮解，影响材料的性能及材料的稳定性。粉末冶金是一种广泛应用的制备铝基复合材料的工艺，该工艺可在较低的温度下(650℃以下)进行材料制备，如采用固相烧结时，材料的制备温度甚至可低至560℃，从而可较好避免Al₄C₃脆性相产生，材料性能和稳定性均较好。专利“粉末冶金法制备高体积分数碳化硅铝基复合材料的工艺方法”采用粉末冶金制备体积分数为50-70vol.％SiCp/Al复合材料，制备温度为640℃(相对于粉末冶金热等静压560～600℃的烧结温度仍相对较高)。该专利制备的复合材料经过合金粉末造粒、添加粘结剂、压制、烧结等步骤，获得了性能良好的铝基复合材料，然而，该粉末冶金工艺如果对粘结剂去除不当会影响材料性能，此外，对于大尺寸薄壁化的光机结构件外形要求，该粉末冶金工艺在一定程度上也较难实现。粉末冶金中的热等静压制备工艺近年来获得了极大的关注，该工艺可实现大尺寸，高性能、高致密性SiC_p增强铝基复合材料的制备，但目前专利和文献报道该工艺多见于低体分(15～25vol.％)SiC_p/Al基复合材料的制备，对于大尺寸、薄壁化、光学遥感器光机结构件用的高体分(如55～60vol.％)SiC_p增强铝基复合材料的粉末冶金热等静压制备未见报道。