[發(fā)明專利]一種鋁包碳化硅復合顆粒及由其制備的復合材料

有效

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• 申請日: 2012-04-10
• 公開（公告）號: CN102601356A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 歷長云;米國發(fā);許磊;胡玉昆;王狂飛
• 申請（專利權(quán)）人: 河南理工大學
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;C22C1/05;C22C21/00
• 代理公司: 北京天達知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11386
• 代理人: 王慶海

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋁基復合材料領(lǐng)域，具體地涉及一種鋁包碳化硅復合顆粒及由其制備的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料。

背景技術(shù)

由于碳化硅顆粒增強鋁基復合材料具有密度小、質(zhì)量輕、高的比強度和比模量、低的熱膨脹系數(shù)、好的尺寸穩(wěn)定性、導熱導電性能好，好的耐磨性能等一系列優(yōu)點，顆粒增強鋁基復合材料已成為金屬基復合材料研究領(lǐng)域中最重要的熱點之一，是目前公認的最有競爭力的金屬基復合材料之一。

在美國和日本等國，該類材料的制備工藝和性能研究已日趨成熟，在電子、軍事領(lǐng)域開始得到實際應(yīng)用。SiC顆粒強化鋁基復合材料被美國視為有突破性進展的材料，其性能可與鈦合金媲美，而價格還不到鈦合金的1/10。碳化硅顆粒增強鋁基復合材料是最近二十年來在世界范圍內(nèi)發(fā)展最快、應(yīng)用前景最廣的一類金屬基復合材料，被認為是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，尤其在機動車輛發(fā)動機活塞、缸頭(缸蓋)、缸體等關(guān)鍵產(chǎn)品和航空工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

美國Duralcan公司在加拿大已建成年產(chǎn)11340噸的SiC/Al復合材料型材、棒材、鑄錠以及復合材料零件的專業(yè)工廠。目前，Duralcan公司生產(chǎn)的20％SiC_p/A356Al復合材料的屈服強度比基體鋁合金提高75％，彈性模量提高30％，熱膨脹系數(shù)減少29％，耐磨性提高3～4倍。近幾十多年來，該類復合材料的研制開發(fā)與工程應(yīng)用在國內(nèi)外受到廣泛的重視。

利用粉末冶金法制備鋁基復合材料可以克服碳化硅顆粒與鋁合金熔液潤濕困難的缺點，因而是最先得到發(fā)展并用于SiC_p/Al的制備方法之一。具體制備SiC_p/Al的粉末冶金工藝路線有多種，目前最為流行和典型的工藝流程為：碳化硅粉體與鋁合金粉體混合→冷模壓→真空除氣→熱壓燒結(jié)→熱機械加工。粉末冶金法的優(yōu)點在于碳化硅粉體和鋁合金粉體可以按任何比例混合，而且配比控制準確、方便。粉末冶金法工藝成熟，成型溫度較低，基本上不存在界面反應(yīng)，質(zhì)量穩(wěn)定，增強體體積分數(shù)可較高，可選用細小增強體顆粒。缺點是設(shè)備成本高，顆粒不容易混合均勻，容易出現(xiàn)較多孔隙，須進行二次加工，以提高機械性能，但往往在后續(xù)處理過程中不易消除，所制零件的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸都受到一定的限制。

本發(fā)明主要針對粉末冶金工藝制備復合材料存在混料不均，產(chǎn)生團聚現(xiàn)象來進行研究的。在研究熱壓燒結(jié)制備鋁基復合材料基礎(chǔ)上，提出利用鋁包SiC復合顆粒制備鋁基復合材料，前期研究中發(fā)現(xiàn)，鋁粉和SiC顆粒混合后，熱壓燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)碳化硅顆粒團聚現(xiàn)象，導致SiC顆粒分布不均勻，影響復合材料的性能。利用鋁包SiC復合顆粒制備鋁基復合材料，由于SiC顆粒外面包覆納米鋁粉或納米鋁合金粉末，燒結(jié)過程中可以避免團聚現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以使SiC顆粒均勻分布在基體中。有關(guān)復合顆粒制備的發(fā)明例如鋁包鎳，銅包SiC顆粒等，前者主要應(yīng)用于熱噴涂領(lǐng)域，后者主要是通過化學方法制備復合顆粒，通過檢索，未發(fā)現(xiàn)通過物理方法制備鋁包SiC復合顆粒制備鋁基復合材料的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

一方面，本發(fā)明公開了一種鋁包碳化硅復合顆粒，該復合顆粒以碳化硅顆粒為核心，納米鋁粉或鋁合金粉末通過粘結(jié)劑而包覆到碳化硅顆粒表面上。

本發(fā)明的一種鋁包碳化硅復合顆粒是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種鋁包碳化硅復合顆粒，其由以下步驟制備：

(1)原料選擇：選擇粒徑為50-100nm的鋁粉或鋁合金粉末為包覆材料，選擇粒徑為20-50μm的碳化硅顆粒為包覆核心，將鋁粉或鋁合金粉末與碳化硅顆粒的總體積分數(shù)計為100％，其中鋁粉或鋁合金粉末的體積分數(shù)為60％-80％，碳化硅顆粒的體積分數(shù)為20％-40％；粘接劑為：酚醛樹脂+無苯醇酸稀料+NL固化劑，其以重量計的配比為酚醛樹脂∶無苯醇酸稀料∶NL固化劑＝3.5∶10∶1，粘結(jié)劑重量占鋁粉或鋁合金粉末、碳化硅顆粒和粘結(jié)劑總重量的8％-10％；

(2)按步驟(1)的比例稱取原料后，將無苯醇酸稀料和酚醛樹脂均勻混合后再加入鋁粉或鋁合金粉末和碳化硅顆粒，常溫下在球磨機中預混合5分鐘，然后加入NL固化劑進行常溫固化，固化完成后繼續(xù)在球磨機中混合30分鐘，最后干燥分篩，即可制備出鋁包碳化硅復合顆粒。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所述鋁合金選自ZL101、ZL101A、ZL102、6061、6063。