本發(fā)明涉及一種陶瓷復(fù)合材料的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種BN包覆SiC復(fù)合顆粒及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋁基復(fù)合材料是以鋁及鋁合金為基體，與顆粒增強(qiáng)體人工合成的復(fù)合材料，是具有發(fā)展?jié)摿Φ慕饘倩鶑?fù)合材料之一，具有比強(qiáng)度和比剛度高、高溫性能好、更耐疲勞和更耐磨、阻尼性能好和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。

目前用于鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒材料有SiC、Al₂O₃等。SiC陶瓷具有密度低、高溫強(qiáng)度大、抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性好、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高、抗熱震、耐化學(xué)腐蝕和優(yōu)異的綜合性能等優(yōu)良特性。然而Al基體和SiC顆粒之間的界面結(jié)合不理想，SiC增強(qiáng)體材料與Al熔體的潤濕角大于90°，金屬液體很難浸入到增強(qiáng)材料之間，就會造成材料內(nèi)部形成大量空洞缺陷，這極大的限制了SiC_p/Al復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。

現(xiàn)有技術(shù)中通常通過添加合金元素或者物理化學(xué)清洗的方法來提高陶瓷顆粒的潤濕性。合金元素包括鎂、鈣、鈦、鋯等元素，通過在液態(tài)法制備SiC/Al復(fù)合材料的過程中加入合金元素來降低鋁熔體的表面張力，減少熔體的固液界面能，從而提高陶瓷顆粒的潤濕性，但是合金元素的加入容易造成陶瓷顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，造成陶瓷顆粒在鋁熔體中分布不均；物理化學(xué)清洗能除去顆粒表面的氧化膜和污染物，改善陶瓷顆粒與鋁熔體的潤濕性，但是其效果不佳。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明目的在于提供一種BN-SiC復(fù)合顆粒及其制備方法，在SiC顆粒表面包覆BN鍍層，將包覆有BN鍍層的SiC復(fù)合顆粒應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料的制備，可以極大的提高SiC顆粒與鋁基體的潤濕性。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種BN-SiC復(fù)合顆粒，包括SiC顆粒和包覆在所述SiC顆粒外的BN鍍層，所述BN鍍層的厚度為0.5～20μm；

優(yōu)選的SiC顆粒的粒徑為0.05～700μm；

優(yōu)選的BN-SiC復(fù)合顆粒的粒徑為0.6～720μm；

本發(fā)明提供了一種上述方案所述復(fù)合顆粒的制備方法，采用磁控濺射法在SiC顆粒表面沉積BN鍍層，得到BN-SiC復(fù)合顆粒；

優(yōu)選的磁控濺射法具體包括以下步驟：

(1)將SiC顆粒裝入工裝，對真空腔進(jìn)行抽真空；

(2)向所述抽真空后的真空腔內(nèi)充入惰性氣體；

(3)將SiC顆粒溫度加熱至300～500℃；

(4)控制超聲波振動頻率為(0W,350W]，樣品臺擺動頻率為1～150次/分鐘，在SiC顆粒表面磁控濺射沉積BN鍍層，得到BN-SiC復(fù)合顆粒；

優(yōu)選的步驟(1)中真空腔抽真空后的真空度為4×10^-4～4×10^-3Pa；

優(yōu)選的步驟(2)中充入惰性氣體至真空腔內(nèi)氣壓為0.1～15Pa；

優(yōu)選的步驟(4)中磁控濺射的功率為100～250W；

優(yōu)選的步驟(4)中磁控濺射的時間為2～6h；

優(yōu)選的磁控濺射沉積BN鍍層后還包括：將BN-SiC復(fù)合顆粒保溫20～60min的步驟。

本發(fā)明提供了一種BN-SiC復(fù)合顆粒，包括SiC顆粒和包覆在所述SiC顆粒外的BN鍍層，所述BN鍍層的厚度為0.5～20μm。本發(fā)明提供的BN-SiC復(fù)合顆粒BN鍍層均勻，極大的提高了SiC顆粒與鋁基體的潤濕性，為SiC_p/Al復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展提供了基礎(chǔ)。實驗結(jié)果表明，BN包覆后的SiC顆粒與Al液的潤濕角由未包覆前的105°減小到25～70°，潤濕性顯著提高。

本發(fā)明提供了一種BN-SiC復(fù)合顆粒的制備方法，采用磁控濺射法在SiC顆粒表面沉積BN鍍層，得到BN-SiC復(fù)合顆粒。本申請?zhí)峁┑闹苽浞椒ú僮鞑襟E簡單，得到的BN鍍層厚度均勻，致密性好，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為未包覆BN鍍層的SiC顆粒與鋁液的潤濕角圖，潤濕角θ＝105°；

圖2為實施例1制備的SiC-BN復(fù)合顆粒與鋁液的潤濕角圖，潤濕角θ＝29°。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種BN-SiC復(fù)合顆粒，包括SiC顆粒和包覆在所述SiC顆粒外的BN鍍層，所述BN鍍層的厚度為0.5～20μm。

本發(fā)明提供的BN-SiC復(fù)合顆粒包括包括SiC顆粒。在本發(fā)明中，所述SiC顆粒的粒徑優(yōu)選為0.05～700μm，更優(yōu)選為1～500μm，最優(yōu)選為100～400μm。

本發(fā)明提供的BN-SiC復(fù)合顆粒包括包覆在所述SiC顆粒表面的BN鍍層，所述BN鍍層的厚度為0.5～20μm。在本發(fā)明中，所述BN鍍層的厚度優(yōu)選為1～15μm，更優(yōu)選為5～12μm，最優(yōu)選為6～10μm。

在本發(fā)明中，所述BN-SiC復(fù)合顆粒的粒徑優(yōu)選為0.6～720μm，更優(yōu)選為10～650μm，最優(yōu)選為100～500μm。

本發(fā)明通過在SiC顆粒表面包覆BN鍍層提高SiC顆粒與鋁基體的潤濕性，在制備SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時，SiC顆粒表面包覆的BN鍍層與空氣中的O₂反應(yīng)生成B₂O₃，B₂O₃更容易與熔體中的Al、Mg發(fā)生反應(yīng)，生成可以提高鋁基復(fù)合材料潤濕性的MgAl₂O₄，從而提高SiC顆粒增強(qiáng)體和鋁基體的潤濕性，使二者能夠獲得良好的界面結(jié)合。

本發(fā)明提供了一種上述方案所述復(fù)合顆粒的制備方法，采用磁控濺射法在SiC顆粒表面沉積BN鍍層，得到BN-SiC復(fù)合顆粒。在本發(fā)明中，所述磁控濺射法優(yōu)選為射頻磁控濺射法。

在本發(fā)明中，所述磁控濺射法優(yōu)選具體包括以下步驟：

(1)將SiC顆粒裝入工裝，對真空腔進(jìn)行抽真空；

(2)向所述抽真空后的真空腔內(nèi)充入惰性氣體；

(3)將SiC顆粒溫度加熱至300～500℃；

(4)控制超聲波振動頻率為(0W,350W]，樣品臺擺動頻率為1～150次/分鐘，在SiC顆粒表面磁控濺射沉積BN鍍層，得到BN-SiC復(fù)合顆粒。

本發(fā)明將SiC顆粒裝入工裝，對真空腔進(jìn)行抽真空。在本發(fā)明中，所述抽真空后真空腔內(nèi)的真空度優(yōu)選為4×10^-4～4×10^-3Pa，更優(yōu)選為1×10^-3～3×10^-3Pa，更優(yōu)選為1.5×10^-3～2.5×10^-3Pa。

抽真空后，本發(fā)明向所述抽真空后的真空腔內(nèi)充入惰性氣體。在本發(fā)明中，所述惰性氣體優(yōu)選為氬氣Ar，氪氣Kr，氙氣Xe，氖氣Ne和氮?dú)釴₂中的一種，更優(yōu)選為氬氣Ar，氪氣Kr和氙氣Xe中的一種，最優(yōu)選為氬氣Ar。

本發(fā)明優(yōu)選充入惰性氣體至真空腔內(nèi)氣壓為0.1～15Pa，更優(yōu)選為5～10Pa。

充入惰性氣體后，本發(fā)明將SiC顆粒加熱至300～500℃。在本發(fā)明中，所述碳化硅顆粒的加熱溫度優(yōu)選為350～450℃，更優(yōu)選為360～400℃。本發(fā)明通過對作為基體的SiC顆粒進(jìn)行加熱促進(jìn)薄膜和基體原子的相互擴(kuò)散，促進(jìn)BN鍍層和SiC顆粒形成擴(kuò)散附著和化學(xué)鍵附著，提高BN鍍層的附著力。

加熱至設(shè)定溫度后，本發(fā)明控制超聲波振動頻率為(0W,350W]，樣品臺擺動頻率為1～150次/分鐘，在SiC顆粒表面磁控濺射沉積BN鍍層，得到BN-SiC復(fù)合顆粒。在本發(fā)明中，所述超聲波振動頻率優(yōu)選為10～300W，更優(yōu)選為100～250W，最優(yōu)選為150～200W；所述樣品臺擺動頻率優(yōu)選為10～120次/分鐘，更優(yōu)選為50～100次/分鐘，最優(yōu)選為60～80次/分鐘。

在本發(fā)明中，所述磁控濺射的功率優(yōu)選為100～250W，更優(yōu)選為150～230W，最優(yōu)選為180～220W；所述磁控濺射的時間優(yōu)選為2～6h，更優(yōu)選為3～6h，最優(yōu)選為3.5～5.5h。

在本發(fā)明中，所述BN為濺射靶材，BN靶材的尺寸優(yōu)選為Φ90～110mm×5mm，更優(yōu)選為Φ100mm×5mm，BN靶材的純度優(yōu)選為99.999～99.9999％，BN靶材表面平整，無縮孔和疏松。在磁控濺射過程中，在真空環(huán)境下，在電場的作用下，惰性氣體發(fā)生輝光放電而電離，大量的惰性氣體離子在電場中得到加速并轟擊BN靶材表面，使BN靶材材料以原子狀態(tài)脫離靶面飛濺出來，沉積到SiC顆粒表面形成BN薄膜。

本發(fā)明通過調(diào)整樣品臺擺動頻率和超聲波振動頻率，使每個SiC顆粒都能夠在滾動的同時不斷的振動，從而使每個顆粒都有機(jī)會暴露其表面，從而得到厚度均勻的BN鍍層。

本發(fā)明優(yōu)選使用射頻磁控濺射鍍膜機(jī)在SiC顆粒表面鍍BN膜層，鍍膜過程優(yōu)選包括以下步驟：

將SiC顆粒裝入工裝，采用機(jī)械泵及分子泵對真空腔進(jìn)行抽真空；

開啟氣體流量計，向真空腔內(nèi)充入惰性氣體；

開啟樣品臺加熱裝置，將襯底SiC顆粒加熱至300～500℃；

開啟超聲波和樣品臺擺動裝置，控制超聲波頻率為(0W,350W]，樣品臺的擺動頻率為1～150次/分鐘；

開啟BN靶材，控制射頻磁控濺射頻率，在SiC顆粒表面進(jìn)行磁控濺射沉積BN鍍層；

所述鍍膜后，關(guān)閉射頻電源，進(jìn)行保溫；

所述保溫后，依次關(guān)閉氣體流量計、高閥、分子泵、機(jī)械泵，打開放氣閥，待真空腔和大氣壓力平衡后，打開真空室，取出樣品。

在本發(fā)明中，所述真空腔的真空度、真空腔內(nèi)氣壓、磁控濺射沉積BN鍍層的頻率和時間、保溫時間與上述方案所述相同，在此不再贅述。

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的BN-SiC復(fù)合顆粒及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)的說明，但是不能把它們理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

實施例1

將尺寸為100μm的SiC顆粒裝入設(shè)計好的工裝；采用機(jī)械泵及分子泵對真空腔進(jìn)行抽真空，使本底真空度達(dá)到5×10^-4Pa；

打開氣體流量計，向真空腔充入Ar至腔內(nèi)氣壓達(dá)到3Pa；

打開樣品臺加熱裝置，使SiC顆粒溫度達(dá)到400℃；

打開樣品臺擺動裝置，設(shè)置擺動頻率為50次/分鐘；

開啟BN靶材，調(diào)整其射頻電源功率為250W，濺射鍍膜2h；其中BN靶材的尺寸為Φ100mm×5mm，BN靶材的純度為99.9999％；

關(guān)閉射頻電源，保溫20min；

依次關(guān)閉氣體流量計、高閥、分子泵、機(jī)械泵，打開放氣閥，待真空腔和大氣壓力平衡后，打開真空室，取出樣品。

使用臺階儀檢測SiC顆粒表面的BN鍍層厚度，可得BN膜層厚度約為20μm；

使用潤濕角測量儀測量SiC顆粒包覆BN鍍層前后與鋁液的潤濕角，測量結(jié)果見圖1和圖2；根據(jù)圖1和圖2可以看出，未包覆BN鍍層之前，SiC顆粒與鋁液的潤濕角為105°，包覆BN鍍層后的SiC-BN復(fù)合顆粒與鋁液的潤濕角為29°，可以看出，包覆BN鍍層后的SiC顆粒與鋁液的潤濕性顯著提高。

實施例2

將尺寸為0.5μm的SiC顆粒裝入設(shè)計好的工裝；采用機(jī)械泵及分子泵對真空腔進(jìn)行抽真空，使本底真空度達(dá)到4×10^-4Pa；

打開氣體流量計，向真空腔充入Ar至腔內(nèi)氣壓達(dá)到0.5Pa；

打開樣品臺加熱裝置，使SiC顆粒溫度達(dá)到300℃；

打開樣品臺擺動裝置，設(shè)置擺動頻率為150次/分鐘；

開啟BN靶材，調(diào)整其射頻電源功率為230W，濺射鍍膜4h；其中BN靶材的尺寸為Φ100mm×5mm，BN靶材的純度為99.9999％；

關(guān)閉射頻電源，保溫60min；

依次關(guān)閉氣體流量計、高閥、分子泵、機(jī)械泵，打開放氣閥，待真空腔和大氣壓力平衡后，打開真空室，取出樣品。

使用臺階儀檢測SiC顆粒表面的BN鍍層厚度，可得BN膜層厚度約為15μm；

使用潤濕角測量儀測量所得樣品與鋁液的潤濕角，可得潤濕角為35°。

實施例3

將尺寸為700μm的SiC顆粒裝入設(shè)計好的工裝；采用機(jī)械泵及分子泵對真空腔進(jìn)行抽真空，使本底真空度達(dá)到4×10^-3Pa；

打開氣體流量計，向真空腔充入Ar至腔內(nèi)氣壓達(dá)到15Pa；

打開樣品臺加熱裝置，使SiC顆粒溫度達(dá)到500℃；

打開樣品臺擺動裝置，設(shè)置擺動頻率為10次/分鐘；

開啟BN靶材，調(diào)整其射頻電源功率為150W，濺射鍍膜5h；其中BN靶材的尺寸為Φ100mm×5mm，BN靶材的純度為99.9999％；

關(guān)閉射頻電源，保溫30min；

依次關(guān)閉氣體流量計、高閥、分子泵、機(jī)械泵，打開放氣閥，待真空腔和大氣壓力平衡后，打開真空室，取出樣品。

使用臺階儀檢測SiC顆粒表面的BN鍍層厚度，可得BN膜層厚度約為7μm；

使用潤濕角測量儀測量所得樣品與鋁液的潤濕角，可得潤濕角為50°。

實施例4

將尺寸為50μm的SiC顆粒裝入設(shè)計好的工裝；采用機(jī)械泵及分子泵對真空腔進(jìn)行抽真空，使本底真空度達(dá)到8×10^-4Pa；

打開氣體流量計，向真空腔充入Ar至腔內(nèi)氣壓達(dá)到5Pa；

打開樣品臺加熱裝置，使SiC顆粒溫度達(dá)到350℃；

打開樣品臺擺動裝置，設(shè)置擺動頻率為120次/分鐘；

開啟BN靶材，調(diào)整其射頻電源功率為100W，濺射鍍膜6h；其中BN靶材的尺寸為Φ100mm×5mm，BN靶材的純度為99.9999％；

關(guān)閉射頻電源，保溫40min；

依次關(guān)閉氣體流量計、高閥、分子泵、機(jī)械泵，打開放氣閥，待真空腔和大氣壓力平衡后，打開真空室，取出樣品。

使用臺階儀檢測SiC顆粒表面的BN鍍層厚度，可得BN膜層厚度約為5.5μm；

使用潤濕角測量儀測量所得樣品與鋁液的潤濕角，可得潤濕角為70°。

實施例5

將尺寸為10μm的SiC顆粒裝入設(shè)計好的工裝；采用機(jī)械泵及分子泵對真空腔進(jìn)行抽真空，使本底真空度達(dá)到5×10^-4Pa；

打開氣體流量計，向真空腔充入Ar至腔內(nèi)氣壓達(dá)到0.1Pa；

打開樣品臺加熱裝置，使SiC顆粒溫度達(dá)到300℃；

打開樣品臺擺動裝置，設(shè)置擺動頻率為70次/分鐘；

開啟BN靶材，調(diào)整其射頻電源功率為240W，濺射鍍膜5.5h；其中BN靶材的尺寸為Φ100mm×5mm，BN靶材的純度為99.9999％；

關(guān)閉射頻電源，保溫50min；

依次關(guān)閉氣體流量計、高閥、分子泵、機(jī)械泵，打開放氣閥，待真空腔和大氣壓力平衡后，打開真空室，取出樣品。

使用臺階儀檢測SiC顆粒表面的BN鍍層厚度，可得BN膜層厚度約為18μm；

使用潤濕角測量儀測量所得樣品與鋁液的潤濕角，可得潤濕角為30°。

由以上實施例可知，本發(fā)明提供的SiC-BN復(fù)合顆粒與鋁液的潤濕性好，從而在制備SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中可以與鋁基體達(dá)到良好的界面結(jié)合。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。