本發(fā)明涉及一種空心氧化鋁球/碳化硅協(xié)同增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

高強(qiáng)輕質(zhì)的超輕型材料一直是眾多重量敏感行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，在航空、航天、無(wú)人機(jī)，高速列車、新能源汽車、船泊、機(jī)器人、外骨骼等應(yīng)用上發(fā)揮著重要作用。本發(fā)明主要是制備新型氧化鋁/碳化硅復(fù)合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的新一代產(chǎn)品。它是為結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的專用材料，主要是指將鋁與空心氧化鋁球/碳化硅陶瓷復(fù)合成為低密度、高強(qiáng)度和低膨脹系數(shù)的封裝材料，以解決結(jié)構(gòu)件的高強(qiáng)輕質(zhì)矛盾。

研究表明，鋁基體中可以加入不同種類的增強(qiáng)顆粒，例如碳化硅，氧化鋁等，從而具有高的彈性模量、高的潛在理論強(qiáng)度、優(yōu)異的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。此類材料密度低、來(lái)源廣、與鋁基體之間界面結(jié)合好、無(wú)有害界面反應(yīng)從而被認(rèn)為是鋁基復(fù)合材料的良好增強(qiáng)體。因此“al2o3/al”復(fù)合材料作為典型的理論研究和應(yīng)用研究體系,其制備和性能研究一直是鋁基復(fù)合材料的一個(gè)重要課題。對(duì)于鋁基復(fù)合材料，其性能主要取決于增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)，顆粒尺寸和在基體中的分散程度等因素，鋁機(jī)體在復(fù)合材料中的參與方式也會(huì)對(duì)復(fù)合材料整體性能產(chǎn)生較大影響，一般來(lái)說(shuō)，顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)使復(fù)合材料強(qiáng)度及模量提高，同時(shí)也伴隨著材料塑性的下降。另外增強(qiáng)體體分越高，復(fù)合材料的密度越大，制備越困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種空心氧化鋁球/碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，解決了現(xiàn)有氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料密度高，力學(xué)強(qiáng)度低，熱膨脹系數(shù)高等問(wèn)題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體是：

本發(fā)明提供的一種空心氧化鋁球/碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

第一步、將空心氧化鋁球與碳化硅粉料混合均勻，得到混合粉料，所述混合粉料中，所述碳化硅粉料所占質(zhì)量比為1％-20％；

第二步、將第一步中所得的混合粉料通過(guò)熱壓鑄成型法制備空心氧化鋁球/碳化硅陶瓷蠟坯；

第三步、將第二步中所得的空心氧化鋁球/碳化硅陶瓷蠟坯通過(guò)埋粉燒結(jié)法制備空心氧化鋁球/碳化硅泡沫陶瓷；

第四步、將第三步中所得的空心氧化鋁球/碳化硅泡沫陶瓷放入差壓鑄造浸滲爐中，通過(guò)1mpa-5mpa的壓力將鋁合金熔液注入空心氧化鋁球/碳化硅泡沫陶瓷中，最后經(jīng)過(guò)熱處理退火，制備得到空心氧化鋁球/碳化硅/鋁基復(fù)合材料。

優(yōu)選地，第一步中，所述空心氧化鋁球的球徑為0.05-2mm。

優(yōu)選地，第一步中，所述碳化硅粉料是由粒徑為8-12um的碳化硅粉、粒徑為40-50um的碳化硅粉和粒徑為70-90um的碳化硅粉按照質(zhì)量比為1:1:1混合而成。

優(yōu)選地，第二步中，在進(jìn)行熱壓鑄成型前，將石蠟、蜂蠟和油酸混合加熱融化，攪拌均勻后加入第一步中所得的混合粉料，繼續(xù)攪拌均勻，最后得到混合液；其中，所述石蠟、蜂蠟、油酸和混合粉料所占質(zhì)量比分別為8-20％、1-5％、1-5％和75-90％。

優(yōu)選地，第二步中，所述真空熱壓鑄成型機(jī)的工藝參數(shù)為：爐溫為70℃-90℃，出料口溫度為75℃-95℃，爐內(nèi)壓力為0.8mpa。

優(yōu)選地，第三步中，所述埋粉是由α氧化鋁吸附粉和碳化硅粉料按照40:1的質(zhì)量比混合而成。

優(yōu)選地，第三步中，將通過(guò)埋粉預(yù)埋的空心氧化鋁球/碳化硅陶瓷蠟坯，放入隧道窯中進(jìn)行燒結(jié)，所述隧道窯的工藝參數(shù)為：排膠溫度為150℃-600℃，時(shí)間為2-3h，燒結(jié)溫度為800℃-1500℃，時(shí)間為2-5h。

優(yōu)選地，第四步中，在向空心氧化鋁球/碳化硅泡沫陶瓷中注入鋁合金熔液時(shí)，首先將空心氧化鋁球/碳化硅泡沫陶瓷放入石墨模具中，并進(jìn)行抽真空處理，使壓力達(dá)到-0.1mpa。

優(yōu)選地，所述鋁合金熔液的溫度為600℃-1000℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供的一種空心氧化鋁球/碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，是通過(guò)采用空心氧化鋁球和不同尺寸微米級(jí)碳化硅為增強(qiáng)體，在保證力學(xué)性能和低膨脹系數(shù)的前提下降低復(fù)合材料整體密度。采用空心氧化鋁球的目的在于既使用的氧化鋁陶瓷強(qiáng)度高的特點(diǎn)，又因?yàn)槠淇招慕Y(jié)構(gòu)，可以最大限度降低整體材料的密度，另外，氧化鋁與鋁的界面活化能較低，添加碳化硅顆粒后，能夠增強(qiáng)復(fù)合界面活化能，從而復(fù)合材料力學(xué)性能更加優(yōu)越。通過(guò)不同顆粒尺寸配比，能夠最大限度提高增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)，從而提高復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度，使鋁的韌性和增強(qiáng)體的剛性達(dá)到最佳配比。

附圖說(shuō)明

圖1為不同燒結(jié)溫度下復(fù)合材料的密度對(duì)比圖；

圖2為不同鋁液溫度下復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度對(duì)比圖；

圖3為不同鋁液溫度下復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)對(duì)比圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明主要是為解決目前氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料密度高，力學(xué)強(qiáng)度低，熱膨脹系數(shù)高的問(wèn)題。提供了一種力學(xué)強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)低，密度極低的復(fù)合材料制備方法，可通過(guò)以下步驟得到：

第一步、將球徑為0.05-2mm的空心氧化鋁球與碳化硅粉料混合均勻，得到的混合均勻的粉料記為m1，所述m1中，碳化硅粉料所占質(zhì)量比為1％-20％；

其中，所述碳化硅粉料是由粒徑為8-12um的碳化硅粉、粒徑為40-50um的碳化硅粉和粒徑為70-90um的碳化硅粉按照質(zhì)量比為1:1:1混合而成；

第二步、將石蠟、蜂蠟和油酸在80℃-90℃溫度中加熱融化，攪拌均勻后加入m1，繼續(xù)攪拌均勻，最后得到混合液m2；其中，所述石蠟、蜂蠟、油酸和m1所占混合液的質(zhì)量比分別為8-20％、1-5％、1-5％和75-90％；

第三步、將混合液m2放入真空熱壓鑄成型機(jī)中，其中，真空熱壓鑄成型機(jī)的工藝參數(shù)為：爐溫為70℃-90℃，出料口溫度為75℃-95℃，爐內(nèi)壓力為0.8mpa，同時(shí)，在真空熱壓鑄成型機(jī)內(nèi)放置有模具，最終得到產(chǎn)品m3；

第四步、將α氧化鋁吸附粉和碳化硅粉料按照40:1的質(zhì)量比混合均勻形成埋燒粉，在匣缽底部先鋪一層，然后將產(chǎn)品m3裝入匣缽中，用上述埋燒粉全部掩埋；

第五步、將上述裝有產(chǎn)品m3的匣缽放入隧道窯中，設(shè)定排膠溫度為150℃-600℃，時(shí)間為2-3h，燒結(jié)溫度為800℃-1500℃，時(shí)間為2-5h，燒結(jié)完成后即得到空心氧化鋁球/碳化硅泡沫陶瓷m4；

第六步、將m4放入特定石墨模具中，并將該石墨模具放入差壓鑄造浸滲爐內(nèi)，其中，設(shè)定鋁合金熔液的溫度為600℃-1000℃，接著將石墨模具中的m4抽真空至-0.1mpa，然后以1mpa-5mpa的壓力將鋁合金熔液注入m4中，冷卻熱處理后得到m5，即得到空心氧化鋁球/碳化硅/鋁基復(fù)合材料。

通過(guò)以上步驟制備所得的空心氧化鋁球/碳化硅/鋁基復(fù)合材料具有力學(xué)強(qiáng)度高、力學(xué)強(qiáng)度高和熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)。

如圖1-圖3所示，實(shí)施例1

第一步、采用球徑為0.05～0.5mm的空心氧化鋁球與碳化硅粉料混合均勻，得到的混合均勻的粉料記為m1，所述m1中，碳化硅粉料所占質(zhì)量比為10％；其中，所述碳化硅粉料是由粒徑為8um的碳化硅粉、粒徑為40um的碳化硅粉和粒徑為70um的碳化硅粉按照質(zhì)量比為1:1:1混合而成；

第二步、將石蠟、蜂蠟和油酸在85℃溫度中加熱融化，攪拌均勻后加入m1，繼續(xù)攪拌均勻，最后得到混合液m2；其中，所述石蠟、蜂蠟、油酸和m1所占質(zhì)量比分別為8％、2％、1％和80％；

第三步、將混合液m2放入真空熱壓鑄成型機(jī)中，其中，真空熱壓鑄成型機(jī)的工藝參數(shù)為：爐溫為75℃，出料口溫度為80℃，爐內(nèi)壓力為0.8mpa，同時(shí)，在真空熱壓鑄成型機(jī)內(nèi)放置有模具，最終得到產(chǎn)品m3；

第四步、將α氧化鋁吸附粉和碳化硅粉料按照40:1的質(zhì)量比混合均勻形成埋燒粉，在匣缽底部先鋪一層，然后將產(chǎn)品m3裝入匣缽中，用上述埋燒粉全部掩埋；

第五步、將上述裝有產(chǎn)品m3的匣缽放入隧道窯中，設(shè)定排膠溫度為300℃，時(shí)間為2h，燒結(jié)溫度為1000℃，時(shí)間為2h，燒結(jié)完成后即得到空心氧化鋁球/碳化硅泡沫陶瓷m4；

第六步、將m4放入特定石墨模具中，并將該石墨模具放入差壓鑄造浸滲爐內(nèi)，其中，設(shè)定鋁合金熔液的溫度為750℃，接著將石墨模具中的m4抽真空至-0.1mpa，然后以3mpa的壓力將鋁合金熔液注入m4中，冷卻熱處理后得到m5，即得到空心氧化鋁球/碳化硅/鋁基復(fù)合材料。

實(shí)施例2

與實(shí)施例1方法相同，區(qū)別在于:

第一步、制備m1時(shí)，所述空心氧化鋁球的球徑為0.5～1.0mm，所述碳化硅粉料所占的質(zhì)量比為15％；

其中，所述碳化硅粉料是由粒徑為9um的碳化硅粉、粒徑為45um的碳化硅粉和粒徑為75um的碳化硅粉按照質(zhì)量比為1:1:1混合而成；

實(shí)施例3

與實(shí)施例1方法相同，區(qū)別在于：

第一步、制備m1時(shí),所述空心氧化鋁球的球徑為1.0～1.5mm，所述碳化硅粉料所占的質(zhì)量比為1％；

其中，所述碳化硅粉料是由粒徑為10um的碳化硅粉、粒徑為50um的碳化硅粉和粒徑為80um的碳化硅粉按照質(zhì)量比為1:1:1混合而成；

實(shí)施例4

與實(shí)施例1方法相同，區(qū)別在于：

第一步、制備m1時(shí),所述空心氧化鋁球的球徑為1.5～2mm，所述碳化硅粉料所占的質(zhì)量比為20％；

其中，所述碳化硅粉料是由粒徑為11um的碳化硅粉、粒徑為40um的碳化硅粉和粒徑為85um的碳化硅粉按照質(zhì)量比為1:1:1混合而成；

實(shí)施例5

與實(shí)施例1區(qū)別在于：

第一步，所述碳化硅粉料所占的質(zhì)量比為5％；

其中，所述碳化硅粉料是由粒徑為12um的碳化硅粉、粒徑為50um的碳化硅粉和粒徑為90um的碳化硅粉按照質(zhì)量比為1:1:1混合而成；

第二步，在制備m2時(shí)，所述石蠟、蜂蠟、油酸和m1所占質(zhì)量比分別為15％、1％、5％和75％；

實(shí)施例6

與實(shí)施例1區(qū)別在于：

第二步，在制備m2時(shí)，所述石蠟、蜂蠟、油酸和m1所占質(zhì)量比分別為20％、5％、2％和90％；

第三步，在制備m3時(shí)，所述真空熱壓鑄成型機(jī)的工藝參數(shù)為爐溫80℃，出料口溫度為85℃，爐內(nèi)壓力為0.5mpa；

實(shí)施例7

與實(shí)施例1區(qū)別在于

第五步，在制備m4時(shí)，隧道窯中的工藝參數(shù)為：排膠溫度350℃，時(shí)間為2.5h，燒結(jié)溫度為900℃，時(shí)間為3h；

實(shí)施例8

與實(shí)施例1區(qū)別在于

第五步，在制備m4時(shí)，隧道窯中的工藝參數(shù)為：排膠溫度400℃，時(shí)間為3h，燒結(jié)溫度為1100℃，時(shí)間為5h；

實(shí)施例9

與實(shí)施例1區(qū)別在于

第六步，在制備m5時(shí)，所述鋁合金溶液溫度為700℃；

實(shí)施例10

與實(shí)施例1區(qū)別在于

第六步，在制備m5時(shí)，所述鋁合金溶液溫度為720℃；

以上實(shí)施例旨在于提供一種空心氧化鋁球/碳化硅復(fù)合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其中任何空心球直徑的變化，碳化硅尺寸變化，碳化硅含量變化，石蠟含量變化，燒結(jié)溫度變化，鋁液溫度變化，注射壓力變化均屬于此制備方法之列。