[发明专利]基于钛碳化硅陶瓷与铜的金属/陶瓷复合材料及制备方法

说明书

本发明提供一种基于MAX相层状陶瓷钛碳化硅（Ti₃SiC₂）和金属铜的复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）混料：将钛碳化硅粉末与树脂粉末在球磨机中混料后干燥，得到混合粉末。（2）温压成型：混合粉末置于模具中，加温加压成型得到坯体。（3）热解：将坯体在氮气环境下热解，得到多孔碳和陶瓷的混合骨架。（4）反应烧结，得到多孔陶瓷。（5）真空熔渗：在真空下将铜熔融浸渍多孔陶瓷，得到金属/陶瓷复合材料。所制得的复合材料具有陶瓷与金属相互交织的连续三维网络结构，表现出良好的力学性能，同时具有良好的电学性能与耐磨损性能，且制备方法简单，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种基于钛碳化硅陶瓷与铜的金属/陶瓷复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

陶瓷/金属复合材料具有优异的力学性能、导电导热性能与摩擦磨损性能，可作为苛刻环境中的导电、导热材料与耐磨损材料。目前所报道的陶瓷/金属复合材料主要为陶瓷颗粒增强的金属基复合材料，制备工艺主要为粉末冶金、放电等离子反应烧结等。

MAX相是一种三元层状金属性陶瓷材料，一般通式为M_n+1AX_n，其中M为过渡金属元素，一般为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf和Ta；A为在元素周期表13-16列的主族元素，一般为Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Tl和Pb，另外Cd也可作为MAX相中A的元素；X为C或者N；n＝1-3。MAX相综合了陶瓷材料和金属材料的一些优点，包括低密度、高模量、良好的导电和导热性能、抗热震性、低摩擦系数、自润滑等，这一系列优良的性质使其具有较为广阔的前景。

钛碳化硅陶瓷是一种同时具有陶瓷与金属优良性能的MAX相陶瓷，将其与铜进行复合，能够充分发挥陶瓷与金属两相的优势，提高材料力学性能，提高导电、导热性能，增强耐磨损性能，其结构不同于纤维增强、颗粒增强的复合材料，是一种金属和陶瓷均为三维网状结构，这种结构拓扑性便于对材料的结构、性能进行设计。

由于陶瓷一般与金属铜液之间的润湿性能很差，不仅难以实现材料复合，同时在材料服役过程中铜液的渗出而难以实现自发汗冷却效应。 这是制约研制与采用高性能轻质喉衬的巨大技术障碍。

早在上世纪九十年代后期，哈尔滨工业大学朱春成等人曾报道过采用金属钛、碳化硼、金属铜粉和镍粉末为原料通过加压自蔓燃高温合成技术制备 TiB2-TiC/Cu-Ni 抗烧蚀材料，但因制备的复合材料中的陶瓷相晶粒结合强度较低，复合材料的抗热震能力较低，未见后续应用的报道。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种基于钛碳化硅陶瓷与铜的金属/陶瓷复合材料及其制备方法，其目的在于，提供一种基于钛碳化硅陶瓷与铜的金属/陶瓷复合材料，得到具有良好导电导热性能与耐磨损性能的金属陶瓷均为连续三维网状结构的复合材料。

本发明提供一种基于钛碳化硅陶瓷与铜的金属/陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1. 混料：将钛碳化硅粉末与酚醛树脂粉末在行星球磨机中混料后干燥，得到混合粉末；

S2. 温压成型：将步骤S1所得的混合粉末置于模具中，加温加压成型得到陶瓷坯体；

S3. 热解：将步骤S2所得的陶瓷坯体在氮气环境下热解，得到多孔碳和陶瓷的混合骨架。

S4. 反应烧结：将步骤S3所得的多孔碳和陶瓷的混合骨架进行高温反应烧结，得到多孔陶瓷；

S5. 真空熔渗：在真空下将铜熔融，浸渍步骤S4所得的多孔陶瓷，进行真空熔渗，冷却后得到金属/陶瓷复合材料。

作为本发明进一步的改进，所述步骤S1中的酚醛树脂粉末添加量为所述钛碳化硅粉末与酚醛树脂粉末总质量的1%-70%。