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一种SiCp2024Al复合材料及其制备方法
2025-03-15 04:38:50
本发明属于复合材料，具体涉及一种sicp/2024al复合材料及其制备方法。
2、sicp/al复合材料结合了sic与al各自的优势，具有高的比强度和比模量，良好的散热性和耐磨性，并且还具备低密度的特点，符合材料的轻量化和高强度材料的发展方向。由于其制备成本低廉、过程简单，且便于二次加工，使其成为复合材料研究的热点之一。在航天航空、轨道交通、军事装备、医疗和汽车工业等高新技术产业领域被广泛的应用。但金属基与陶瓷基材料结合时，存在以下问题：(1)由于sic颗粒在制备过程中需要经过破碎来达到所需的粒径，因此原始的sic颗粒基本上棱角都十分尖锐且形状不规则。这就使得在球磨过程中sic颗粒在基体粉末均匀分散变得困难，而且在复合材料使用过程中应力容易在这些颗粒尖锐处集中，导致材料断裂失效。(2)由于sic颗粒表面能较高，会吸附一些杂质和气体。另外，sic颗粒与铝基体在热膨胀系数和弹性模量等物理性质上存在较大差异，因此两者之间的润湿性不好，而润湿性直接影响着两种材料之间的粘结强度和稳定性。(3)粉末冶金法制备碳化硅复合材料，经过高温烧结两种材料之间的结合强度会有所提高，但是在高温环境下sic颗粒与al会发生界面反应：sic+al→al4c3+si，而al4c3作为脆性相是一种有害的界面产物而且十分不稳定，如果将复合材料长期放置在潮湿的环境中会发生水解反应al4c3+h2o→al(oh)3+ch4，如果材料中产生al(oh)3会导致界面剥离，降低材料的强度与韧性，ch4气体会对环境产生不利影响且易燃增加火灾风险。
1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种sicp/2024al复合材料及其制备方法与应用。
3、第一方面，本发明提供一种sicp/2024al复合材料的制备方法，包括如下步骤：
5、将预处理后的sic颗粒与2024al合金粉末和硬脂酸锌按比例混合球磨；
6、将球磨后的混合粉末在惰性气氛下烧结，去除硬脂酸锌，然后进行冷压成型；
8、将二次烧结的材料进行热处理，热处理包括先在450-550℃固溶处理0.1-4h，水淬后，在150-200℃时效处理6-12h，处理完毕后，自然冷却至室温。
9、未经处理的sic颗粒表面可能存在一些杂质，而且棱角比较尖锐。这些因素会影响sic颗粒与铝基体的结合，同时导致应力集中且难以分布均匀。因此需要对sic颗粒进行预处理来增强sic颗粒与铝基体的结合强度与其在复合材料当中的分散性，以增强复合材料的综合性能。
10、硬脂酸锌是过程控制剂，如果不加过程控制剂，则容易导致过度冷焊的情况的发生。
11、冷压成型之前，先在惰性氛围中烧结，去除硬脂酸锌，以防止内部出现不同密度区域而出现冷压分层的现象。
12、二次烧结是粉末冶金工艺中非常重要的一步，对材料的最终性能具有决定性的影响。烧结的目的是促使粉末颗粒之间发生粘连，使其聚集成晶粒的聚集体，这一过程有助于增强材料颗粒间的结合强度、提高材料的致密度和改善力学性能并优化材料的微观结构。
13、经过酸洗+高温氧化后，颗粒表面变得干净平滑，棱角钝化，sic颗粒表面生成一层均匀的sio2膜。
14、sic颗粒经过酸洗+高温氧化后制得的复合材料的硬度提升最为明显，硬度是判断复合材料力学性能的重要标准之一，可以间接地反应颗粒与基体的界面结合状态。经过预处理之后sic与铝基体的结合情况得到了改善，当材料受力时能够更好的承受外部载荷，经过表面改性之后sic颗粒在基体中更加分散，能够更好地发挥增强体地强化作用，因此改性后的复合材料的硬度有了明显的提升。
15、经过表面改性之后的sic颗粒表面更加圆润，表面积更大，从而增加了与铝基体的接触面积。而且预处理之后sic颗粒在复合材料中的分布更加均匀，使铝基体可以更好地填充颗粒间的孔隙，有助于减少复合材料当中的缺陷，使复合材料的致密性提高。
16、在一些实施例中，所述酸洗采用的酸液为质量百分数为8％-12％的hf溶液。
17、优选的，酸洗时，酸液与sic颗粒的体积比为2-6:1，进一步优选为4:1。
18、进一步优选的，酸洗后，将sic颗粒反复清洗至中性，干燥后，研磨，将研磨后的sic颗粒在1000-1400℃烧结4-6h，每隔1h搅拌一次，并击碎结块，烧结结束后，随炉自然冷却。
19、每隔1h搅拌一次，并击碎结块，以保证底下颗粒与空气接触，防止氧化不充分。
20、在一些实施例中，sic颗粒、2024al合金粉末和硬脂酸锌的混合料中，sic颗粒的质量百分数为10％-30％，硬脂酸锌的质量百分数为0.7％。
22、在一些实施例中，在惰性气氛下烧结的温度为380-420℃，烧结时间为0.8-1.2h。
23、在一些实施例中，冷压成型的压力为15-25mpa，保压3-8min。
26、第二方面，本发明提供一种sicp/2024al复合材料，由所述制备方法制备而成。
28、经过酸洗+高温氧化后的碳化硅颗粒棱角钝化，表面干净，预处理后的碳化硅颗粒表面存在一层致密sio2膜，制备的复合材料其硬度、致密度、抗压强度、失效应变等均较好，是一种较好的预处理方法。
29、复合材料热处理的最佳处理工艺为490℃固溶2h+190℃时效10h。经过热处理之后复合材料的塑性下降，不同sic体积分数的复合材料硬度均有了30％以上的提升，抗压强度提升49～63％不等。
30、复合材料的摩擦系数随sic的体积分数增加而增加，磨损率跟硬度与sic分布情况有关，因此在sic体积分数为20％时复合材料的耐磨性最好。热处理之后改善了摩擦系数的稳定性，降低了磨损率。
1.一种sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：所述酸洗采用的酸液为质量百分数为8％-12％的hf溶液。
3.根据权利要求2所述的sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：酸洗时，酸液与sic颗粒的体积比为2-6:1，进一步优选为4:1。
4.根据权利要求1所述的sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：酸洗后，将sic颗粒反复清洗至中性，干燥后，研磨，将研磨后的sic颗粒在1000-1400℃烧结4-6h，每隔1h搅拌一次，并击碎结块，烧结结束后，随炉自然冷却。
5.根据权利要求1所述的sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：sic颗粒、2024al合金粉末和硬脂酸锌的混合料中，sic颗粒的体积百分数为10％-30％，硬脂酸锌的质量百分数为0.7％。
6.根据权利要求5所述的sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：sic颗粒的体积百分数为15％-25％，优选为20％。
7.根据权利要求1所述的sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：在惰性气氛下烧结的温度为380-420℃，烧结时间为0.8-1.2h。
8.根据权利要求1所述的sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：冷压成型的压力为15-25mpa，保压3-8min。
9.根据权利要求1所述的sicp/2024al复合材料的制备方法，其特征在于：二次烧结的温度为650-750℃；
10.一种sicp/2024al复合材料，其特征在于：由权利要求1-9任一所述制备方法制备而成。
本发明公开了一种SiCp/2024Al复合材料的制备方法，包括如下步骤：对SiC颗粒进行预处理，先酸洗，然后进行高温烧结；将预处理后的SiC颗粒与2024Al合金粉末和硬脂酸锌按比例混合球磨；将球磨后的混合粉末在惰性气氛下烧结，去除硬脂酸锌，然后进行冷压成型；将冷压成型的坯料进行二次烧结；将二次烧结的材料进行热处理，热处理包括先在450‑550℃固溶处理0.1‑4h，水淬后，在150‑200℃时效处理6‑12h，处理完毕后，自然冷却至室温。
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