一种低Si含量SiCp/Al复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种低Si含量SiCp/Al复合材料及其制备方法，其中SiCp/Al复合材料的原料按质量百分比构成为：熔渗铝合金30-50％，余量为SiC粉；其制备方法是将不同粒径的SiC粉混合均匀后装入陶瓷模具中，振动压实或模压压制后得到SiC预制件，将熔渗铝合金放置于SiC预制件顶部，干燥处理后置于管式炉中进行无压浸渗，在氮气保护下于735-800℃保温1-3小时，随后自然冷却至室温即得SiCp/Al复合材料。本发明SiCp/Al复合材料具有较高强度、热导率等特征，且热膨胀系数可裁剪，本发明的制备方法能有效阻止液态铝与碳化硅反应，避免易水解产物产生。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体地说是一种低Si含量SiCp/Al复合材料及其制备方法。

二、背景技术

金属基复合材料(Metal Matrix Composites，简称MMCs)是以线、丝、纤维、晶须或者颗粒为增强体，以金属或合金为基体的复合材料，其中增强相可以是连续相也可以是非连续相。通常金属基体延性好而强度较差，而增强体强度和刚度较高，两者复合在一起后其刚度、强度、耐磨性能等优于传统的金属材料，具有低热膨胀系数、高耐热性、高比强度、高比模量、耐磨损和抗老化等优点，从而使之在航空航天、汽车尤其是电子封装领域具有广泛的应用前景。

MMCs中铝基复合材料除了具有普通金属基复合材料普遍具有的优异性能外，还具有轻质、生产设备简单、成本低、可进行批量生产等优点。这些优点使得众多国家大力开展铝基复合材料的研究工作，目前陶瓷颗粒增强铝基复合材料、纤维增强铝基复合材料都已经被广泛应用于工业中。颗粒增强铝基复合材料由于增强颗粒的优异特性例如：强度高、刚度高、耐磨性能好、低膨胀系数以及尺寸稳定性好等已经被列为未来新材料的重要研究方向之一。

目前，铝基复合材料被广泛应用在航天航空领域，据报道，美国利用Revtite铝基复合材料(增强体SiC颗粒体积分数为25％，基体为6061铝合金)生产了3000多米长的航空用挤压结构导槽、角材及电工用尺条等。此外，电子仪表封装用材料以及地面通讯或者移动通讯电子设备等出于对材料轻质的要求均使用铝基复合材料。在民用方面，为满足电子封装材料的需要，国内外研究者在大力开发低密度、导热性能良好、线膨胀系数与芯片相匹配的SiC颗粒增强铝基复合材料。

SiCp/Al复合材料的典型制备工艺是采用液态铝合金压力浸渗或无压浸渗SiC预制件来获得SiCp/Al复合材料毛坯，再经特种加工获得最终制品。从浸渗技术上看，压力浸渗，包括真空负压浸渗、挤压浸渗等，其设备本身就是一个高温高压容器，其内部净空间尺寸受限，更重要的是其压渗对象必须是具有一定强度的预制件。而预制件的制备必须采用粉末冶金成形和烧结，从时间上看，预制件的制备占据了复合材料整个制备过程绝大部分，且基本工艺难以简化。而无压浸渗技术由于不需施加外力，其内部空间可以做得足够大，而且浸渗对象可以是具有一定强度的预制件，也可以是紧密堆积的陶瓷粉体。

无压浸渗制备SiCp/Al复合材料，通常加入大于4-8％的Mg以提高溶渗活性，加入Si以避免液态铝与碳化硅反应，同时，为提高液态铝与碳化硅的湿润性，通常采用的温度是高于800℃，而随着温度的提高，硅含量也要相应地提高才能抑制界面反应产物的形成。比如易水解界面产物Al₄C₃，据以往研究表明，SiC易与Al反应生成Al₄C₃，Al₄C₃是脆性相并且容易水解，它的存在不仅会降低复合材料的机械强度，还会削弱其导热能力20％-30％左右。增大铝合金中Si含量能够抑制有害界面反应产物Al₄C₃的生成。当Si含量超过12％时，可以完全抑制界面反应。目前在制备综合性能优良，稳定性好(不生成易水解的脆性界面产物)的SiCp/Al复合材料时，一般是提高铝基体的硅含量，并在高温度下进行熔渗，但这样会影响复合材料的机械强度；而在低硅含量下，采用高温熔渗易产生易水解的脆性界面产物的现象。

目前采用在较低温度(735-800℃)下，利用无压浸渗制备低Si含量SiCp/Al复合材料的方法未见报道。

三、发明内容

本发明是为了避免上述现有技术的不足之处，旨在提供一种低Si含量SiCp/Al复合材料及其制备方法，所要解决的技术问题是在较低温度下制备低Si含量的SiCp/Al复合材料，且无易水解的脆性界面产物。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明低Si含量SiCp/Al复合材料的特点在于其原料按质量百分比构成为：熔渗铝合金30-50％，余量为SiC粉；

所述熔渗铝合金按质量百分含量7％≤Si≤10％，4％≤Mg≤10％；

所述SiC粉的粒径为10μm-100μm。

本发明低Si含量SiCp/Al复合材料的制备方法的特点在于按以下步骤操作：将不同粒径的SiC粉混合均匀后装入陶瓷模具中，振动压实或模压压制后得到SiC预制件，将熔渗铝合金放置于SiC预制件顶部，干燥处理后置于管式炉中，在氮气保护下于735-800℃保温1-3小时，随后自然冷却至室温即得SiCp/Al复合材料。

本发明低Si含量SiCp/Al复合材料的制备方法的特点也在于：管式炉的升温速率设置为低于250℃时以5-10℃/min的速率升温，达到250℃后以2-5℃/min的速率升温。

SiC预制件的制备可以采用振动压实或模压压制的方法，当采用模压压制时先将不同粒径的SiC粉混合均匀，再加入粘结剂湿球磨，干燥后置于模具中压制成陶瓷素坯，陶瓷素坯在60-80℃干燥去除坯体中的水份，然后在空气电阻炉中于800-1000℃煅烧1-3小时获得足够的强度，即得SiC预制件。将SiC预制件放入内壁涂胶态石墨并经干燥处理的方形陶瓷舟底部，将体积略小于SiC素坯的熔渗铝合金块放置在SiC预制件顶部，然后置于管式炉中，在氮气气氛下以5℃/min的速度升温至735-800℃保温1-3小时，随后自然冷却至室温即得SiCp/Al复合材料。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用在较低温度(735-800℃)下，利用无压浸渗制备低Si含量SiCp/Al复合材料，由于制备温度低，对无压浸渗设备的要求降低，从而降低生产成本。

2、本发明采用较低温度熔渗能有效地避免生成有如Al₄C₃的有害界面反应产物，同时采用低硅含量(≤10％)以提高复合材料强度，获得综合性能优良的复合材料。

3、本发明制备的SiCp/Al复合材料成功地避免生成易水解的界面生成物，与同类产品相比有较高的弯曲强度，具有优异的综合性能，可以按需要得到不同的热膨胀系数，可运用于电子封装材料，耐磨件等领域。

四、附图说明

图1是实例1制备的SiCp/Al复合材料的金相组织。白色为铝基体，灰色为大颗粒F220SiC，小颗粒为F500SiC。由图可见，复合材料的组织致密，没有发现颗粒团聚现象，SiC颗粒棱角分明，小颗粒填充在大颗粒间隙中，SiC颗粒较为均匀的分布在铝基体周围，铝合金液完全浸渗SiC多孔介质。

图2是实例2制备的SiCp/Al复合材料断口电子扫描形貌。从图中可见，SiC颗粒表面平整，SiC颗粒镶嵌在铝基体中，没有发现SiC-Al界面脱离的现象，这说明了基体与增强体的强结合性。

五、具体实施方式

实施例1：

本实施例中低Si含量SiCp/Al复合材料的原料按质量百分比构成为：熔渗铝合金30％，熔渗铝合金中Si的质量百分含量为10％，Mg的质量百分含量为8％，杂质元素总质量百分含量小于2％，余量为Al；SiC粉70％，SiC粉为F220、F500两种，F220SiC粉与F500SiC粉的质量比为2∶1。

本实施例中低Si含量SiCp/Al复合材料是按以下步骤制备得到的：

将F220SiC粉和F500SiC粉在滚筒上混合均匀后装入陶瓷模具中(8cm×5cm×4cm)，振动压实后后得到高度为2cm的SiC预制件，将熔渗铝合金(7.5cm×4.8cm×1.8cm)放置于SiC预制件顶部，于150℃干燥3小时后推入管式炉中，通入氮气，在250℃之前升温速度为5-10℃/min，之后以2-5℃/min速度升温到735℃/min，在氮气保护下于735℃无压浸渗3小时，随后自然冷却至室温即得SiCp/Al复合材料。

本实施例采用低温、低硅含量基体的方法得到的SiCp/Al复合材料，成功地避免了在高温制备时容易通过界面反应生成易水解的反应物的情况，同时具有优异的性能。本实施例制备的SiCp/Al复合材料的抗弯强度330MPa，平均线膨胀系数7.81×10^-6℃^-1，热导率190±10W·m^-1·℃^-1。

实施例2：

本实施例中低Si含量SiCp/Al复合材料的原料按质量百分比构成为：熔渗铝合金50％，熔渗铝合金中Si的质量百分含量为7％，Mg的质量百分含量为8％，杂质元素总质量百分含量小于2％，余量为Al；SiC粉50％，SiC粉为F280、F500两种，F280SiC粉与F500SiC粉的质量比为3∶1。

本实施例中低Si含量SiCp/Al复合材料是按以下步骤制备得到的：

1、SiC预制件的制备

将100mL水和5g聚乙烯醇混合，升温至50℃浸润2小时，然后升温至90℃保温2小时得到聚乙烯醇溶液，向30mL聚乙烯醇溶液中加入6g硅溶胶，搅拌均匀配制得到粘结剂；

将F280SiC粉和F500SiC粉在滚筒式混料机上混料4小时得混合SiC粉；向100g混合SiC粉中加入配制得到的粘结剂，球磨2-4小时后取出于80℃干燥后在陶瓷粉末压片机上模压压制成陶瓷素坯，将陶瓷素坯置于60-80℃的烘箱中干燥除去水份后放入空气电阻炉中于900℃煅烧2小时即得SiC预制件。

2、复合材料的制备

在方形陶瓷舟内壁涂上一层胶态石墨，将SiC预制件放入陶瓷舟底部，将熔渗铝合金块放置于SiC预制件顶部，将整个装置推入管式炉中，通入氮气，在250℃之前升温速度为5-10℃/min，之后以2-5℃/min速度升温到800℃/min，在氮气气氛下于800℃保温3小时，冷却至500℃出炉，待冷至常温后打磨掉上方残留的铝合金即可得到SiCp/Al复合材料。

本实施例制备的SiCp/Al复合材料的抗弯强度为360Mpa，平均线膨胀系数为7.21×10^-6℃^-1，热导率为180±10W.m^-1.℃^-1。