[發明專利]一種碳化硅和硅顆粒增強的鋁銅基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410852362.3
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN105803293B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 郝心想;樊建中;馬自力;劉彥強;肖雪婷;趙月紅;魏少華;左濤
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C22C30/02
• 分類號: C22C30/02;C22C32/00;C22C1/05
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司11100
• 代理人: 劉徐紅

技術領域

本發明涉及一種碳化硅和硅顆粒增強的鋁銅基復合材料及其制備方法，該以碳化硅和硅顆粒為增強相、鋁銅合金為基體的復合材料具有輕質、低膨脹、高模量、高強度的特點，尤其適合空間環境使用，屬于顆粒增強金屬基復合材料領域。

背景技術

隨著宇航技術的不斷發展，航空航天領域復雜的服役環境對材料的密度、熱膨脹系數、模量、強度等綜合性能提出了越來越苛刻的要求。近年來，金屬基復合材料以其低膨脹、高導熱、高模量、一定的強度等綜合性能，在航空、航天、電子、能源、交通等領域有著較為良好的應用前景，歐美一些國家研制的部分種類的碳化硅增強鋁基復合材料、碳纖維增強鋁基復合材料等金屬基復合材料已經實現工程化應用，滿足了航空航天技術應用需求，同時取得了顯著的經濟效益。

金屬基復合材料常見的增強相有碳化硅顆粒、硅顆粒、二氧化硅顆粒、金剛石顆粒、氮化鋁顆粒、三氧化二鋁顆粒、碳化硼顆粒、碳纖維等，基體有鐵、鋁、銅、鎂、鈦及其合金等。具有高強度、低膨脹系數、高模量性能的增強相，可熱處理強化的鋁、鎂等輕質合金基體已成為金屬基復合材料設計及研發趨勢，航空航天用復合材料中，以高硬度、高模量的碳化硅作為增強相、低密度的鋁合金作為基體的鋁基復合材料，技術已經較為成熟。如英國AMC公司制備的25vol.％SiC/2124Al復合材料彈性模量為115GPa，抗拉強度為690MPa，熱膨脹系數為15.5×10^-6/K。但是，當碳化硅體分在25％以上時，后續機械加工較為困難。北京有色金屬研究總院研制的50vol.％Si/Al-Cu復合材料彈性模量為112GPa，彎曲強度為548.3MPa，熱膨脹系數為12.7×10^-6/K，具有良好的綜合性能。同時，硅密度2.33g/cm³，碳化硅密度3.2g/cm³，硅密度比碳化硅密度低27.2％。

發明內容

本發明目的是提供一種輕質、低膨脹、高模量、高強度、耐空間環境的鋁基復合材料及其制備方法。

碳化硅具有高模量(455GPa)、高硬度(2800Kg/mm²)、低熱膨脹系數(4×10^-6/K)，其本征特性使得其作為復合材料的顆粒增強相，對于降低復合材料的熱膨脹系數、提高復合材料的模量及強度有較為顯著的作用。由單一體積分數的碳化硅制備的復合材料，有優異的熱膨脹系數、強度、模量等綜合性能。硅具有高模量(130～190GPa)、中等硬度(850Kg/mm²)、低熱膨脹系數(2.6×10^-6/K)，相比碳化硅而言，其硬度降低，材料易于加工。一般而言，熱膨脹系數與增強相的體積分數成負相關，而模量與其成正相關。綜合考慮彈性模量、熱膨脹系數、密度、加工難易程度，采用碳化硅及硅顆粒兩種相作為增強相、鋁合金為基體制備高體分顆粒增強鋁基復合材料，是一種開發輕質、低膨脹、高強度、高模量的材料的新途徑。航天環境的粒子及射線輻照環境要求材料在此服役環境下有一定的承受能力，材料的性能在較小的范圍內變化，滿足服役環境下由該材料制備的元器件及設備的結構及性能的穩定性。碳化硅及硅顆粒在輻照環境下具有較好的穩定性，鋁銅合金輻照環境下材料本也可以維持其本征特性，把碳化硅、硅及鋁銅合金復合起來，可以耐受空間輻照環境。

一種碳化硅和硅顆粒增強的鋁銅基復合材料，采用碳化硅和硅顆粒雙相增強鋁銅基復合材料，由碳化硅、硅和鋁銅合金組成，重量百分比組成為碳化硅：15～25wt.％，硅：45～50wt.％，鋁銅合金：25～40wt.％；其中，鋁銅合金作為基體，碳化硅及硅顆粒作為增強相均勻分布在鋁銅合金基體中，鋁銅合金基體形成三維空間網狀結構。

所述的鋁銅合金采用鑄造鋁銅合金，其中銅的重量百分比含量為0.5wt.％～6wt.％，優選銅含量為0.5wt.％～4.5wt.％，其余為鋁。所述碳化硅和硅顆粒的重量百分比之和為60wt.％～75wt.％。

為使得所制備的復合材料易于加工，所添加的碳化硅的含量不高于25％。為使得所制備的復合材料具有低熱膨脹系數、高模量特性，碳化硅和硅的總含量不低于60％。

為保證鋁基復合材料完全致密，鋁銅合金霧化粉末的含量不低于25％，在熱等靜壓致密化過程中，鋁銅合金霧化粉末形成完整的三維空間網絡。