[发明专利]一种通过高速压制制备高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料材料领域，具体是一种通过高速压制制备高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料的方法。

背景技术

碳化硅颗粒作为增强材料具有高熔点、高热稳定性、低热膨胀系数、成本低廉等优点，其热膨胀系数为4.7×10^-6K^-1，热导率为80-240W/mK；同时Al作为基体材料，具有高热导率(170-220W/mK、低密度(2.7g/cm²))、价格低廉和易于加工等优点，结合二者的优势制备出的高体积分数SiC增强Al基复合材料具有密度低、高导热、热膨胀系数可控等优异性能，成为今金属基复合材料研究的热点之一，在航空航天、大规模集成电路、军事电子器材有着十分广阔的应用前景。

目前，高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料的制备方法有粉末冶金法、真空热压烧结法、无压渗透法等。上几种方法中，放电等离子烧结法制备复合材料具有成分比例准确、增强体在A1基中分布均匀、烧结温度低保温时间短等优点，但是该设备主要用于实验室研究，极少用于工业化生产。真空热压法制备复合材料过程中有专门设备提供高压和真空，该设备成本高、生产效率低。无压浸渗制备SiC/Al复合材料过程中，熔渗温度远高于铝基体的熔点，易生成Al₄C₃，且在渗透的过程中基体和增强体的比例不易控制，在制备预制体的过程中一些闭气孔不能被基体填充。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：鉴于目前制备高体积分数SiC颗粒增强A1基复合材料所存在的技术缺限和不足，提供一种制备成本相对低廉，工艺流程简化，最终获得低孔隙率、热导率高、高体积分数的SiC增强Al基复合材料的方法，且适宜工业化大规模生产。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳化硅粉体表面处理：

将碳化硅粉末在去离子水中超声振动30-60分钟，除去碳化硅表面的杂质和油污，然后进行干燥处理，先在150-200℃烘箱中干燥10-12小时，将干燥后的碳化硅放到刚玉坩埚中，再放入高温炉中，在1000-1200℃的温度下保温2-4小时，升温速度2-5℃/min，使其表面形成一层致密的SiO₂层，然后随炉冷却。

(2)混料：

向氧化处理后的碳化硅粉体中加入铝合金粉末，其中碳化硅粉体占混合粉末的体积分数为30-50％，铝合金粉末占混合粉末的体积分数为50-70％，将混合原料置于滚筒式混料机中混12-15小时，转速为180r/min，得到均匀性良好的混合粉末；

(3)高速压制成型：

采用重力势能作为蓄能方式，将步骤(2)制得的混合粉末高速压制实验机压制生坯，重锤重量的为50-100Kg，将重锤的升至0.2-1.0m的高处，通过调节重锤质量和压制高度改变压制能量，通过重锤的自由落体运动压制混合粉体，得到SiC增强Al基复合材料压坯；

(4)N₂气氛保护烧结：

将SiC增强Al基复合材料压坯放置管式气氛炉中，设置烧结温度为680-720℃，N₂气氛下保护烧结，升温速率3-4℃/min，到达预定烧结温度后保温2-3小时，得到SiC增强Al基复合材料预成品；

(5)冷却：

通过管式气氛炉控制SiC增强Al基复合材料预成品降温冷却至400-450℃，冷却速率2-3℃/min，保温1-3小时，随炉冷却，待其冷却至室温，取出样品，去除附着在样品表面的铝合金和氧化层，得到SiC颗粒增强Al基复合材料成品。

上述步骤(1)中，SiC颗粒粒径为5-40um。

上述步骤(2)中，所述铝合金粉末为6061铝合金粉末，6061铝合金粉末的粒径为1-20um。

上述步骤(3)中，高速压制为一次压制成型，使用硬脂酸锌润滑模具内壁，压坯压制后无分层或缺角，单次压制后，SiC颗粒增强Al压坯相对密度为85-92％。

上述步骤(4)中，将压坯放在刚玉烧舟中，其上下表面覆盖2-3mm厚6061铝合金粉。烧结之前，管式气氛炉先通入0.5-1小时的N₂以排除残余空气，防止压坯被氧化。

上述步骤(5)中，去除样品表面的铝合金和氧化层厚度为2-3mm。

本发明方法制备的SiC增强Al基复合材料的技术参数为：致密率为94.0％-98.0％，热导率为150-190W/mK。