CN110396652A - 一种碳化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅纤维增强铝基复合材料，由碳化硅纤维、金属界面层、增强颗粒和铝合金组成。制备方法：（1）将碳化硅纤维预制体放入高温热处理炉中除胶处理；（2）将除胶处理好的碳化硅纤维预制体用蒸馏水超声清洗并烘干；（3）采用化学镀法烘干好的碳化硅纤维预制体内制备一层金属界面层；（5）将增强颗粒均匀添加到铝合金熔液中，并将铝合金熔液浸渗到制备好界面层的预制体中，得到碳化硅纤维增强铝基复合材料。本发明解决了碳化硅纤维和铝合金的界面相容性问题，明显提高了铝合金对碳化硅纤维的润湿性，充分发挥了碳化硅纤维增韧补强的作用。本发明制备的复合材料性能优异，是航空航天领域重要的候选先进复合材料。

Description

一种碳化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝基复合材料及其制备方法，特别涉及一种碳化硅纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料因具有密度低、高比强、高比模、高耐磨性和低热膨胀系数等优异特性，已经广泛地应用到航空航天、汽车、电子封装等领域。但随着科技的发展，尤其是航空航天领域对材料性能的要求日益提高，迫切需要对铝基复合材料进行性能提升。目前，铝基复合材料主要分为颗粒增强铝基复合材料和纤维增强铝基复合材料。颗粒增强铝基复合材料虽然具有较高的强度，但是其断裂韧性较差，使用可靠性不足；纤维增强铝基复合材料，尤其是连续纤维增强铝基复合材料既能保证复合材料的强度，又能提高材料的断裂韧性和抗冲击性能等。而纤维增强铝基复合材料目前主要使用碳纤维，碳纤维由于会和铝反应，导致纤维强度下降，所以必须对碳纤维进行多次界面处理，使材料的制备工艺更加复杂。
碳化硅纤维作为一种典型的高性能陶瓷纤维，其与铝的界面相容性较好，二者不会发生化学反应，而且碳化硅纤维具有良好的耐高温性能和耐氧化性能，将其用于铝基复合材料可以有效提高材料的强度、耐温性能、耐腐蚀性能和断裂韧性等。
授权公告号为CN107513675B的中国发明专利公开了一种碳化硅纤维束增强铝基复合材料的制备方法，采用石英纤维束编织成纤维布，与石墨粉层状压制构成碳化硅纤维布，将铝或铝合金箔与碳化硅纤维布进行层状交替叠加，得到复合压制烧结前的预制体，将预制体进行压制烧结，冷却，得到长丝碳化硅纤维束网状增强铝基复合材料。
授权公告号为CN108385040B的中国发明专利公开了一种短切碳纤维增强镁铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：提供碳化锆粉末以及碳化硅粉末；对碳化锆粉末以及碳化硅粉末进行球磨，得到第一混合粉末；对第一混合粉末进行冷等静压，得到第一增强颗粒块体；对第一增强颗粒块体进行真空热处理，得到第二增强颗粒块体；将镁铝金属锭以及第二增强颗粒块体放入真空加热炉中进行复合热处理，得到颗粒增强镁铝金属液；提供短切碳纤维，并对短切碳纤维进行预热；对颗粒增强镁铝金属液进行半固态搅拌，在半固态搅拌的过程中，向颗粒增强镁铝金属液中加入经过预热的短切碳纤维，得到短切碳纤维增强镁铝金属液；使用短切碳纤维增强镁铝金属液进行浇注，得到短切碳纤维增强镁铝基复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提出一种碳化硅纤维增强铝基复合材料及其制备方法，从而克服现有材料及技术的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种碳化硅纤维增强铝基复合材料，体积密度为2.3~2.7g/cm3，由碳化硅纤维、金属界面层、增强颗粒和铝合金组成，其特征在于碳化硅纤维预先编织成预制体，金属界面层包裹在碳化硅纤维表面，增强颗粒和铝合金填充在碳化硅纤维预制体中；所述的碳化硅纤维预制体结构为单向纤维毡、纤维布叠层、2.5D、三维编织和针刺碳毡中的一种，纤维体积分数为20~40%；所述的金属界面层为铜和镍中的一种；所述的增强颗粒为SiC、Al2O3、TiC和ZrC中的一种，增强颗粒体积分数为0.5~5%，增强颗粒粒径为0.5~5μm。
一种碳化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）将碳化硅纤维预制体放入高温热处理炉中除胶处理，处理温度为300~500℃，处理时间为0.5~2h；
（2）将步骤（1）中除胶处理好的碳化硅纤维预制体用蒸馏水超声清洗，然后烘干；
（3）采用化学镀法在步骤（2）中烘干好的碳化硅纤维预制体内制备一层金属界面层；
（4）将铝合金块体放入真空高温炉中熔融处理，处理温度为700~900℃，保温时间1~3h，然后将增强颗粒添加到铝合金熔液中并搅拌均匀；
（5）将步骤（3）中制备好金属界面层的碳化硅纤维预制体装入模具中固定好，放入浸渗炉中，将步骤（4）中制备好的铝合金熔液放入浸渗炉中，浸渗炉升温至500~700℃，然后将铝合金熔液真空浇注到模具内，浇注好后炉内气压增加到1.0~3.0MPa，保温保压后随炉冷却脱模得到碳化硅纤维增强铝基复合材料。
与现有材料及技术相比，本发明具有如下有益效果：（1）采用连续碳化硅纤维编织成预制体，既有效发挥碳化硅纤维增韧补强的作用，又有效提高了复合材料的结构稳定性和性能可靠性；（2）对碳化硅纤维进行镀金属界面层处理，改善了碳化硅纤维与铝合金熔液的润湿性，提高了铝合金的浸渗效率，降低了复合材料内部的缺陷，显著增加了复合材料的力学性能；（3）采用颗粒增强铝合金基体，提高了复合材料的耐磨性能、硬度、刚度和耐温性能等，扩展了复合材料的应用领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例
一种碳化硅纤维增强铝基复合材料，密度为2.5g/cm3，由碳化硅纤维、金属界面层、增强颗粒和铝合金组成，其特征在于碳化硅纤维预先编织成预制体，金属界面层包裹在碳化硅纤维表面，增强颗粒和铝合金填充在碳化硅纤维预制体中；所述的碳化硅纤维预制体结构为2.5D，纤维体积分数为35%；所述的金属界面层为镍；所述的增强颗粒为SiC，增强颗粒体积分数为3%，增强颗粒粒径为1μm。
一种碳化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）将碳化硅纤维预制体放入真空高温热处理炉中除胶处理，处理温度为450℃，处理时间为1h；
（2）将步骤（1）中除胶处理好的碳化硅纤维预制体用蒸馏水超声清洗，然后烘干；
（3）采用化学镀法在步骤（2）中烘干好的碳化硅纤维预制体内制备一层金属界面层；
（4）将铝合金块体放入真空高温炉中熔融处理，处理温度为750℃，保温时间2h，然后将增强颗粒添加到铝合金熔液中并搅拌均匀；
（5）将步骤（3）中制备好金属界面层的碳化硅纤维预制体装入模具中固定好，放入浸渗炉中，将步骤（4）中制备好的铝合金熔液放入浸渗炉中，浸渗炉升温至550℃，然后将铝合金熔液真空浇注到模具内，浇注好后炉内气压增加到2.0MPa，保温保压后随炉冷却脱模得到碳化硅纤维增强铝基复合材料。
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 (2)

1.一种碳化硅纤维增强铝基复合材料，体积密度为2.3~2.7g/cm3，由碳化硅纤维、金属界面层、增强颗粒和铝合金组成，其特征在于碳化硅纤维预先编织成预制体，金属界面层包裹在碳化硅纤维表面，增强颗粒和铝合金填充在碳化硅纤维预制体中；所述的碳化硅纤维预制体结构为单向纤维毡、纤维布叠层、2.5D、三维编织和针刺碳毡中的一种，纤维体积分数为20~40%；所述的金属界面层为铜和镍中的一种；所述的增强颗粒为SiC、Al2O3、TiC和ZrC中的一种，增强颗粒体积分数为0.5~5%，增强颗粒粒径为0.5~5μm。
2.一种碳化硅纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）将碳化硅纤维预制体放入高温热处理炉中除胶处理，处理温度为300~500℃，处理时间为0.5~2h；
（2）将步骤（1）中除胶处理好的碳化硅纤维预制体用蒸馏水超声清洗，然后烘干；
（3）采用化学镀法在步骤（2）中烘干好的碳化硅纤维预制体内制备一层金属界面层；
（4）将铝合金块体放入真空高温炉中熔融处理，处理温度为700~900℃，保温时间1~3h，然后将增强颗粒添加到铝合金熔液中并搅拌均匀；
（5）将步骤（3）中制备好金属界面层的碳化硅纤维预制体装入模具中固定好，放入浸渗炉中，将步骤（4）中制备好的铝合金熔液放入浸渗炉中，浸渗炉升温至500~700℃，然后将铝合金熔液真空浇注到模具内，浇注好后炉内气压增加到1.0~3.0MPa，保温保压后随炉冷却脱模得到碳化硅纤维增强铝基复合材料。
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