CN108754357B - 一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料，由碳化硅泡沫陶瓷，SiC纳米线，BN界面层，碳化硅和铝合金组成，其特征在于SiC纳米线原位生长在碳化硅泡沫陶瓷中，BN界面层包覆在SiC纳米线和碳化硅泡沫陶瓷表面，碳化硅和铝合金填充在碳化硅泡沫陶瓷内部和表层；所述的碳化硅泡沫陶瓷密度为0.3~0.6g/cm3，孔隙率为70~90%，孔密度为15~35PPI；所述的SiC纳米线直径为50~200nm，长度为0.5~3mm；所述的BN界面层厚度为0.05~0.3μm；所述的碳化硅粉粒径为0.5~1μm，纯度为97~99%。本发明采用SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料，制备工艺周期短，易于实现；充分发挥SiC纳米线的增韧补强和改善界面结合的作用，提高了铝碳化硅复合材料的断裂韧性和抗冲击性能等。

Description

一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝碳化硅复合材料及其制备方法，特别涉及一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料及其制备方法。
背景技术
铝碳化硅复合材料具有高比强度和比刚度、耐磨、低热膨胀系数、低密度、良好的尺寸稳定性和导热性，已经广泛地应用在航空航天、军事领域以及汽车、电子等行业领域。但是由于铝和碳化硅界面物理化学相容性不高，两相界面结合难以控制，材料内部不可避免的存在孔隙和微裂纹，导致铝碳化硅的断裂韧性、冲击强度以及抗热震性能有所不足，同时，过多的碳化硅难以均匀的分散在铝基体中，容易造成局部过高的应力集中，限制了铝碳化硅在高端结构件和功能件的应用能力。
SiC纳米线是一种性能优异的纳米增强体，拉伸强度可达到53.4GPa，远大于SiC纤维和SiC晶须，尤其是超长SiC纳米线不仅可以改善两相的界面结合，更重要的是还可以将两相基体彼此牢牢锁住，从而大大增强铝碳化硅复合材料的强度。将超长SiC纳米线原位生长在碳化硅泡沫陶瓷上，由于超长SiC纳米线径向放射状生长至碳化硅泡沫陶瓷内部空隙中，可以有效地将孔隙分割以及提高碳化硅泡沫陶瓷内的比表面积，便于铝和碳化硅泡沫陶瓷的结合，有效提高铝碳化硅的力学性能；并且超长SiC纳米线还可以通过分散压力、裂纹偏转及桥连等增韧机制，有效地强韧化铝碳化硅复合材料。
授权公开号为CN104726734B的中国发明专利公开了一种制备SiC/Al复合材料的方法，该方法为：将氧化铝和/或氧化硅粉末和分散剂用球磨介质球磨，再加入粘结剂继续球磨得到涂敷浆料；其中，粉末：分散剂：水：球磨介质：粘结剂的质量比为1:0.005~0.01:0.1~0.4:2:0.01~0.03；将网眼多孔SiC陶瓷浸入涂敷浆料中充分吸收、离心并干燥之；再将二次涂覆的网眼多孔SiC陶瓷埋入铝或铝合金粉中，抽真空升温将铝或铝合金熔化后，通入氩气，保温保压得到SiC/Al复合材料。由本发明方法得到的SiC/Al复合材料为双连续相，通过控制涂敷浆料的组成与性能，达到控制界面结构和界面反应的目的，实现碳化硅基体与金属Al之间的强结合且在三维空间均匀连续分布，避免了碳化硅增强体的偏聚与不连续，提高复合材料性能。
授权公开号为CN104658920B的中国发明专利公开了一种铝碳化硅制备方法及其所得铝碳化硅，铝碳化硅的制备方法，包括填粉和渗铝，填粉步骤包括：将粉料填充至铝基板的凹槽中，形成粉料板；在粉料板的表面铺设厚度为0.5mm的铝箔；铝碳化硅中不加除铝和碳化硅以外的其他添加剂。本发明提供的铝碳化硅制备方法通过在碳化硅粉料的表面铺设0.5mm厚的铝箔，再进行渗铝，可防止渗铝过程中铝液对碳化硅层的冲刷，保证渗铝步骤后所得铝碳化硅材料内部组织均匀。而且本发明提供的方法在未加入任何添加剂的情况下，保持了铝碳化硅材料的抗弯强度，从而将所得铝碳化硅材料的热导率提高至250～280W/mK。
申请公布号为CN105924178A的中国发明专利公开了一种铝碳化硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：将粗碳化硅颗粒和细碳化硅颗粒混匀，加入两种碳化硅颗粒总质量1~3%的磷酸二氢铝水溶液和5%的水，加热进行湿混捏至湿度为10%，得到混合料，磷酸二氢铝水溶液的质量百分数为50%。将混合料烘干，造粒，陈腐得到粉料。将粉料填充至模具中，在10MPa的压力下成型，形成近成型素坯。将带素坯的模具包套封装后烧结，素坯形成预制件。将装有预制件的模具包套封装浸铝，得到铝碳化硅复合材料。原料中不添加石蜡微乳液，同时减少磷酸二氢铝的量，素坯的空隙高，制得材料铝体积分数大，提升了热导率。该制备方法，简化了工艺路线，节省了成本，提高了铝碳化硅复合材料的热导率。
目前，铝碳化硅复合材料的制备方法多为将铝粉和碳化硅粉混合烧结而成，或者将铝粉直接熔融渗入到碳化硅泡沫陶瓷中，这些方法没有有效解决铝碳化硅均匀分散的问题，也没有解决铝和碳化硅界面结合的问题，不能有效发挥铝碳化硅复合材料性能，限制了铝碳化硅复合材料的应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料及其制备方法，充分发挥SiC纳米线增韧以及改善界面结合的优势，提高了铝碳化硅复合材料的性能，拓宽了铝碳化硅复合材料的应用领域。
一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料，由碳化硅泡沫陶瓷，SiC纳米线，BN界面层，碳化硅和铝合金组成，其特征在于SiC纳米线原位生长在碳化硅泡沫陶瓷中，BN界面层包覆在SiC纳米线和碳化硅泡沫陶瓷表面，碳化硅和铝合金填充在碳化硅泡沫陶瓷内部和表层；所述的碳化硅泡沫陶瓷密度为0.3~0.6g/cm3，孔隙率为70~90%，孔密度为15~35PPI；所述的SiC纳米线直径为50~200nm，长度为0.5~3mm；所述的BN界面层厚度为0.05~0.3μm；所述的碳化硅呈颗粒状，粒径为0.5~1μm，纯度为97~99%。
一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）将碳化硅泡沫陶瓷用无水乙醇超声清洗，清洗后放到烘箱中烘干；
（2）将聚碳硅烷、二茂铁、活性炭混合球磨制得均匀的粉末先驱体，然后将粉末先驱体放入石墨坩埚中；
（3）将烘干好的碳化硅泡沫陶瓷放在石墨坩埚上面，再将石墨坩埚放入到高温烧结炉中，升温至1300~1500℃，保温并通入流动性Ar，制得原位生长SiC纳米线的碳化硅泡沫陶瓷；
（4）将原位生长SiC纳米线的碳化硅泡沫陶瓷放到化学气相沉积炉中沉积BN界面层；
（5）将铝合金颗粒和碳化硅颗粒混合均匀，将制备好BN界面的碳化硅泡沫陶瓷包埋在混合均匀的铝合金/碳化硅颗粒中，抽真空至0.01~10Pa，再升温至700~1000℃，保温1~5h，得到SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料。
本发明有益效果：（1）采用SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料，制备工艺简单，周期短，易于实现；（2）由于SiC纳米线的增韧补强和改善界面结合的作用，提高了铝碳化硅复合材料的断裂韧性和抗冲击性能等；（3）将混合均匀的铝/碳化硅粉填充在碳化硅泡沫陶瓷预制体中，有效地解决了铝和碳化硅均匀分散的问题。
实施例
一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料，由碳化硅泡沫陶瓷，SiC纳米线，BN界面层，碳化硅和铝合金组成，其特征在于SiC纳米线原位生长在碳化硅泡沫陶瓷中，BN界面层包覆在SiC纳米线和碳化硅泡沫陶瓷表面，碳化硅和铝合金填充在碳化硅泡沫陶瓷内部和表层；所述的碳化硅泡沫陶瓷密度为0.5g/cm3，孔隙率为80%，孔密度为30PPI；所述的SiC纳米线直径为100nm，长度为1mm；所述的BN界面层厚度为0.1μm；所述的碳化硅粉粒径为0.5μm，纯度为99%。
一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）将碳化硅泡沫陶瓷用无水乙醇超声清洗，清洗后放到烘箱中烘干；
（2）将聚碳硅烷、二茂铁、活性炭混合球磨制得均匀的粉末先驱体，然后将粉末先驱体放入石墨坩埚中；
（3）将烘干好的碳化硅泡沫陶瓷放在石墨坩埚上面，再将石墨坩埚放入到高温烧结炉中，升温至1350℃，保温并通入流动性Ar，制得原位生长SiC纳米线的碳化硅泡沫陶瓷；
（4）将原位生长SiC纳米线的碳化硅泡沫陶瓷放到化学气相沉积炉中沉积BN界面层；
（5）将铝合金颗粒和碳化硅颗粒混合均匀，将制备好BN界面的碳化硅泡沫陶瓷包埋在混合均匀的铝合金/碳化硅颗粒中，抽真空至0.1Pa，再升温至750℃，保温3h，得到SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料，由碳化硅泡沫陶瓷、SiC纳米线、BN界面层、碳化硅和铝合金组成，其特征在于SiC纳米线原位生长在碳化硅泡沫陶瓷中，BN界面层包覆在SiC纳米线和碳化硅泡沫陶瓷表面，碳化硅和铝合金填充在碳化硅泡沫陶瓷内部和表层；所述的碳化硅泡沫陶瓷密度为0.3~0.6g/cm3，孔隙率为70~90%，孔密度为15~35PPI；所述的SiC纳米线直径为50~200nm，长度为0.5~3mm；所述的BN界面层厚度为0.05~0.3μm；所述的碳化硅呈颗粒状，粒径为0.5~1μm，纯度为97~99%；所述的SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：（1）将碳化硅泡沫陶瓷用无水乙醇超声清洗，清洗后放到烘箱中烘干；（2）将聚碳硅烷、二茂铁、活性炭混合球磨制得均匀的粉末先驱体，然后将粉末先驱体放入石墨坩埚中；（3）将烘干好的碳化硅泡沫陶瓷放在石墨坩埚上面，再将石墨坩埚放入到高温烧结炉中，升温至1300~1500℃，保温并通入流动性Ar，制得原位生长SiC纳米线的碳化硅泡沫陶瓷；（4）将原位生长SiC纳米线的碳化硅泡沫陶瓷放到化学气相沉积炉中沉积BN界面层；（5）将铝合金颗粒和碳化硅颗粒混合均匀，将制备好BN界面的碳化硅泡沫陶瓷包埋在混合均匀的铝合金/碳化硅颗粒中，抽真空至0.01~10Pa，再升温至700~1000℃，保温1~5h，得到SiC纳米线增强铝碳化硅复合材料。
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