[發(fā)明專利]一種高導(dǎo)熱界面相不完全包覆的復(fù)合材料及其制備方法和測(cè)試方法

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• 申請(qǐng)日: 2020-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN111850339A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒愛華;蘇玉琴;徐曉梅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南昌航空大學(xué)
• 主分類號(hào): C22C1/10
• 分類號(hào): C22C1/10;C22C1/02;C22C29/06;C22C21/06;C22C32/00
• 代理公司: 南昌市平凡知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 36122
• 代理人: 張文杰

本發(fā)明提供了一種高導(dǎo)熱界面相不完全包覆的復(fù)合材料及其制備方法和測(cè)試方法，制備方法為：S1、首先對(duì)SiC顆粒進(jìn)行預(yù)氧化處理、酸洗、干燥，過篩后再進(jìn)行氧化處理；S2、其次SiC顆粒置于模具中，采用無壓浸滲法將鎂鋁混合液澆鑄在裝有SiC顆粒的模具中，加熱并保溫，制備得到SiCp/Al復(fù)合材料；S3、最后將SiCp/Al復(fù)合材料置于燒結(jié)爐中進(jìn)行熱處理，制備得到高導(dǎo)熱界面相不完全包覆的復(fù)合材料。本發(fā)明提供的方法制備得到的復(fù)合材料，當(dāng)界面相呈現(xiàn)不連續(xù)分布時(shí)，即使界面相本征熱導(dǎo)率低，對(duì)復(fù)合材料整體熱導(dǎo)率影響較小，更多是因?yàn)檩p微反應(yīng)改善界面結(jié)合，從而使復(fù)合材料的致密度及熱導(dǎo)率提高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳化硅鋁基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高導(dǎo)熱界面相不完全包覆的復(fù)合材料及其制備方法和測(cè)試方法。

背景技術(shù)

對(duì)于復(fù)合材料而言，界面是一種非常重要的微結(jié)構(gòu)，是聯(lián)系增強(qiáng)體和基體的“紐帶”，是材料優(yōu)化及新型復(fù)合材料研發(fā)的重要組成部分。但通常復(fù)合材料界面的形成機(jī)理都很復(fù)雜，包括了許多復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，所形成界面層的幾何及特性不僅與兩相材料的組分有關(guān)，還與復(fù)合的工藝條件有關(guān)。目前，有關(guān)界面形成機(jī)理的基本理論主要包括五種：浸潤(rùn)理論、化學(xué)鍵理論、擴(kuò)散理論、嚙合理論、過渡層理論，其中應(yīng)用最廣的為化學(xué)鍵理論，但目前有關(guān)界面形成機(jī)理的理論還存在一些爭(zhēng)議。目前，對(duì)于金屬基復(fù)合材料而言，其制備方法很多，其形成的界面狀況也不同。

復(fù)合材料存在熱性能調(diào)控設(shè)計(jì)及可預(yù)測(cè)性困難等問題，熱導(dǎo)率作為熱物理性能設(shè)計(jì)的重要性能指標(biāo)之一，也存在著同樣的問題。由于基體與增強(qiáng)體間相容性較差，在復(fù)合材料制備時(shí)界面結(jié)合的好壞、類型或在界面潤(rùn)濕性改善時(shí)所出現(xiàn)的界面析出物、界面過渡層等，所以，這些界面因素的改變都都將影響著界面處的熱傳導(dǎo)，從而也影響著整個(gè)復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能。因此，掌握材料的界面相特征，弄清界面相特征與復(fù)合材料熱傳導(dǎo)的關(guān)聯(lián)性是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料熱性能調(diào)控，理解復(fù)合材料傳熱機(jī)理的關(guān)鍵問題。

因SiCp/Al復(fù)合體系中，鋁以金屬鍵相結(jié)合，而碳化硅顆粒以共價(jià)鍵結(jié)合，這二者相容性差，潤(rùn)濕性不好，需要采取一定方法改善其潤(rùn)濕結(jié)合。通常無壓滲透制備時(shí)改善潤(rùn)濕結(jié)合方法有：一方面，通過對(duì)顆粒進(jìn)行一定的表面處理如預(yù)氧化、涂覆、沉積等，以提高增強(qiáng)體(固體)表面能。另一方面，或通過基體中添加合金元素，以降低金屬熔體本身的表面能及金屬熔體與增強(qiáng)體間的界面能。由于金屬與增強(qiáng)體組分晶體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)的巨大差別以及高溫制備中原子擴(kuò)散、偏聚、相互反應(yīng)，這將會(huì)形成較為復(fù)雜的界面區(qū)域結(jié)構(gòu)。從宏觀尺度上，界面可以簡(jiǎn)單地看作為兩相材料的分界面，沒有厚度，但具有一定的力學(xué)性能。在細(xì)觀尺度上，界面是具有一定厚度且極為復(fù)雜多變的“界面層”或“界面相”，其尺度范圍在納米至微米之間變化。目前，有關(guān)界面的研究主要集中在復(fù)合材料界面相容性改善、界面顯微結(jié)構(gòu)表征及對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響方面，但對(duì)于界面對(duì)熱物理性能的影響研究報(bào)道還較少。C.Kawai認(rèn)為隨著界面反應(yīng)的加劇，界面所析出的不利產(chǎn)物A1₄C₃會(huì)增多，從而降低SiCp/Al復(fù)合材料的熱導(dǎo)率；Lee和Hong研究認(rèn)為SiO2自身的熱導(dǎo)率較低，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料熱導(dǎo)率下降，需要嚴(yán)格控制其厚度。袁曼等人在研究以ZL101為基體、SiC顆粒為增強(qiáng)體復(fù)合材料界面及導(dǎo)熱性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)顆粒進(jìn)行一定的預(yù)氧化處理時(shí)，其熱導(dǎo)率是提高的，其分析認(rèn)為主要是因?yàn)轭w粒進(jìn)行氧化處理時(shí)不僅控制了界面反應(yīng)也改善了界面潤(rùn)濕，從而有利于熱導(dǎo)的提高。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明第一方面提供了一種高導(dǎo)熱界面相不完全包覆的復(fù)合材料制備方法，包括以下步驟：

S1、首先對(duì)SiC顆粒進(jìn)行預(yù)氧化處理、酸洗、干燥，過篩后再進(jìn)行氧化處理；

S2、其次將步驟S1處理后的SiC顆粒置于模具中，采用無壓浸滲法將鎂鋁混合液澆鑄在裝有SiC顆粒的模具中，加熱并保溫，制備得到SiCp/Al復(fù)合材料；

S3、最后將步驟S2制備得到的SiCp/Al復(fù)合材料置于燒結(jié)爐中進(jìn)行熱處理，制備得到高導(dǎo)熱界面相不完全包覆的復(fù)合材料。