一种强化金属熔渗用注射成形SiC陶瓷预成形坯的方法

摘要

本发明属于金属基复合材料研究领域，提供一种金属(如Cu，Al等)熔渗用注射成形SiC陶瓷预成形坯的强化方法。其特征在于：将采用蜡基粘结剂体系注射成形的SiC注射坯经过溶剂脱脂和部分热脱脂后，放入浓度为0.8wt％～1.2wt％、模数2.2～2.5的钠水玻璃溶液中，于室温下浸渍均匀后取出干燥；之后继续进行热脱脂直到浸渍前坯体中剩余的粘结剂完全脱除。脱脂分成两步，第一步热脱脂，温度控制在350℃～380℃；脱脂时间为0.5～2小时；然后浸渍、干燥；之后进行第二步热脱脂，脱脂温度控制在550℃～600℃，脱脂时间为0.5～2小时。在此过程中，坯体由未强化前的0.2MPa增加到4MPa，可以较好的满足使用要求。该种方法不但能够有效地增加坯体强度，而且引入的杂质较少，对最终所制备的复合材料的性能不会产生明显的影响。

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料研究领域，涉及一种强化金属熔渗用注射成形SiC陶瓷预成形坯的方法。

背景技术

高体积分数SiCp/Al或SiCp/Cu复合材料具有高热导率、低热膨胀系数以及高比模量等优异的热物理性能，是一种非常理想的电子封装材料。但是该种材料本身具有的高硬度、高脆性等特性，使其很难通过二次机加工的方法加工成所需要形状的器件，这样大大限制了该种材料的广泛使用。因此开发该种材料的近净成形工艺非常必要。目前国内外所广泛采用的近净成形工艺为液态金属浸渗法，就是先制备出具有最终形状的多孔增强相陶瓷坯体，然后通过熔渗工艺将熔融态的Al或Cu金属与多孔陶瓷坯复合起来，形成最终的复合材料。从该工艺的特点看，实现复合材料的近净成形取决于能否实现增强相陶瓷坯体的近净成形。而采用陶瓷粉末注射成形工艺可以很好地实现SiC陶瓷坯体的近净成形，并且所制备坯体尺寸精度高，生产成本低。

在陶瓷粉末注射成形工艺中，蜡基粘结剂是一种广泛采用的粘结剂体系，该粘结剂具有好的高温流动性和室温保形性，并且在550℃～600℃范围内即可脱除干净。而熔渗通常是在1000℃～1400℃温度范围内进行，为了保证各步工艺的效率，脱脂和熔渗通常是在不同的气氛和炉子中进行的，这样就需要对脱脂坯进行搬运、装炉等操作，而注射成形SiC脱脂坯由于没有添加任何烧结助剂(添加烧结助剂会影响最终所制备复合材料的性能)，并且温度较低，此时坯体的强度也很低，很难进行取炉、装炉等操作，因此必须对坯体进行强化操作。国内外目前广泛采用的方法是采用SiC坯体高温氧化的方法，即通过在高温下(＞900℃)于空气中煅烧SiC坯体，在SiC颗粒表面形成一层非晶态SiO₂层，SiC颗粒间产生的SiO₂层的相互粘结是坯体强度的主要来源。但是这种方法存在一定的不足，就是在熔渗的过程中Al合金基体会与SiO₂层发生反应，在SiC/Al界面处生成导热性能差的MgAl₂O₄相，阻碍了界面处热量的传递，从而影响了最终复合材料的导热性能。

发明内容

无机胶粘剂作为一种外加的增强助剂，如硅酸盐类、磷酸盐类、胶体二氧化硅等，目前已被广泛应用于粘结陶瓷制品以及作为耐火材料和砂型铸造的粘结剂，其特点是粘接强度高、操作性能好，固化温度可以是室温也可以是300℃以下的中低温。基于此，本发明采用一种在砂型铸造中广泛采用的胶粘剂——水玻璃作为注射成形SiC脱脂坯的增强助剂，通过采用水玻璃浸渍坯体后干燥脱水，可以有效地强化SiC坯体，坯体强度由未强化前的0.2MPa增加到4MPa，可以较好的满足操作要求。该种方法不但能够有效地增加坯体强度，而且引入的杂质较少，对最终所制备的复合材料的性能不会产生明显的影响。

具体工艺为：

首先，将SiC粉末与适量的多聚物蜡基粘结剂在混炼机上混合均匀，然后制粒、在一定的温度和压力范围内进行注射，得到所需形状的注射坯；之后将注射坯体进行溶剂脱脂、热脱脂工艺。为了便于进行浸渍操作，脱脂坯应该具备一定的强度，但同时也应具备一定的孔隙度，以保证溶液能够浸渍到坯体中去。因此，将脱脂工艺分成两步进行：首先进行部分热脱脂，缓慢升温至350℃～380℃，脱脂时间为0.5～2小时，以脱除大部分的石蜡和高密度聚乙烯；然后将经过部分热脱脂的坯体放入到浓度为0.8wt％～1.2wt％、模数2.2～2.5的钠水玻璃溶液中，于室温下浸渍均匀后，取出干燥；之后继续进行热脱脂，脱脂温度控制在550℃～600℃，直到浸渍前坯体中剩余的粘结剂完全脱除，脱脂时间为0.5～2小时。此时虽然坯体中没有粘结剂，但是由于在脱脂的过程中加入了水玻璃，坯体可以得到很好的强化。

本发明的优点在于，在较低的温度下操作就可以较好的强化脱脂坯体，并且引入杂质量较少，对复合材料的性能不产生明显的影响。如制备67vol％SiCp/Al复合材料时，采用浓度为0.8wt％的水玻璃浸渍SiC体积分数为67vol％的脱脂坯体，经干燥后坯体强度可以达到3.9MPa，坯体增重只有0.45wt％，也就是引入杂质的量为0.45wt％；经过后期熔渗所制备的SiCp/Al复合材料的热导率可以达到190W/(m·K)，与不采用任何增强方法的原始坯体对应的SiCp/Al复合材料的热导率(194W/(m·K))相似。而采用氧化法增强坯体，同样达到3.9MPa的强度时，需要在1100℃氧化3个小时，坯体的增重约为0.9wt％，而所制备的SiCp/Al复合材料的热导率只有120W/(m·K)。因此采用水玻璃浸渍SiC脱脂坯体是一种经济有效的强化方法。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式：

实施例1：制备强度为4MPa、SiC体积分数为67vol％的预成形坯

采用粒度为60μm的SiC粉末与蜡基粘结剂混合，SiC的体积分数为67vol％，蜡基粘结剂的主要成分为65wt％PW(石蜡)+30wt％HDPE(高密度聚乙烯)+5wt％SA(硬脂酸)，得到均匀的喂料后制粒，之后在注塑机上成形出所需要形状的零件。将注射坯进行溶剂脱脂后，以5℃/min的升温速率升温到360℃，此时坯体中还有部分高密度聚乙烯并未脱除，用以维持坯体强度。在此条件下，坯体强度仍达5MPa，可满足浸渍以及脱水硬化等操作对强度的要求。

将经过360℃热脱脂的坯体放入到浓度为0.8wt％、模数为2.3的钠水玻璃中，于室温下浸渍均匀后取出干燥，之后将经过浸渍和干燥的坯体放回炉中继续进行热脱脂到550℃，以脱除剩余的高密度聚乙烯等残余粘结剂。在此条件下，坯体的强度可以达到4MPa，坯体中的杂质含量仅为0.45wt％。

实施例2：制备强度为9MPa、SiC体积分数为67vol％的预成形坯

采用粒度为60μm的SiC粉末与蜡基粘结剂混合，SiC的体积分数为67vol％，蜡基粘结剂的主要成分为65wt％PW(石蜡)+30wt％PP(聚丙烯)+5wt％SA(硬脂酸)，得到均匀的喂料后制粒，然后在注塑机上成形出所需要形状的零件。将注射坯进行溶剂脱脂后，以5℃/min的升温速率升温到380℃，此时坯体中还有部分聚丙烯并未脱除，用以维持坯体强度。在此条件下，坯体强度接近5MPa，可满足浸渍以及脱水硬化等操作对强度的要求。

将经过380℃热脱脂的坯体放入到浓度为1.2wt％、模数为2.3的钠水玻璃中，于室温下浸渍均匀后取出干燥，之后将经过浸渍和干燥的坯体放回炉中继续进行热脱脂到550℃，以脱除剩余的聚丙烯等残余粘结剂。在此条件下，坯体的强度可以达到9MPa，坯体中的杂质含量仅为0.7wt％。