一种微纳SiC颗粒协同强化铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及轻质结构复合材料制备技术领域，具体涉及一种微纳多尺度SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着武器装备、航空航天、交通运输等高新技术领域的不断发展，对金属材料的性能提出了更高的要求，这使得传统的金属材料很满足其要求。将纤维、晶须、陶瓷颗粒等高性能的增强体加入到金属基体材料中制备金属基复合材料，不仅能够使得单相金属材料的力学性能得到很大程度的提高，而且能够发挥增强体的低热膨胀系数、导热、导电等特性，改善金属材料的其它性能。在众多增强体中，陶瓷颗粒增强金属基复合材料由于具有高的比强度和比刚度以及较多的其它优异性能，而且各向异性小，易于制备加工等特点，因此，其具有较大的应用潜力，一直是金属基复合材料领域研究的重点。

碳化硅(SiC)颗粒作为陶瓷颗粒的一种，具有成本低廉，来源广泛，性能优异的特点，常被用于金属基复合材料的增强体。碳化硅颗粒增强的铝基复合材料具有比强度和比刚度高，尺寸稳定性好和优异的耐磨性及耐高温性，常作为航空航天飞行器结构材料。然而，随着航空航天技术的不断发展，对飞行器的性能提出更高要求，这就要求材料不仅具有优异的力学性能能够起到很好的承载作用，而且还需要材料具有优异的阻尼吸振性，能够抵抗外部环境的振动干扰作用。为了能使碳化硅颗粒增强铝基复合材料更好应用到航空航天结构上，需要提高碳化硅颗粒增强铝基复合材料的阻尼性能。

在专利号为“CN201610589486”中公开了“一种采用SPS制备高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料的方法”，步骤一、称取25～55％的SiC颗粒和45～75％铝粉；步骤二、将SiC颗粒和铝粉放入球磨罐中球磨，制成混合粉体；步骤三、将混合粉体与粘结剂混合搅拌，然后过60～100目筛进行造粒；步骤四、冷压成形，制得素坯；步骤五、素坯烧结。所述步骤三中的粘结剂为乙酸乙酯和纤维素的混合物，所述乙酸乙酯和纤维素的体积比为10：1。存在的问题是：1、所得SiC颗粒增强铝基复合材料仅提高了力学性能，而未实现其阻尼性能的提高，而在铝基复合材料使用过程中，特别对于航空航天器件，其失效常发生在振动和噪声情况下，因此阻尼性能差将直接导致航空航天器件结构出现问题，存在着可靠性差和工作精度低的问题；2、由于未采用分散液做前期分散，以及使纳米SiC颗粒表面吸附羟乙基纤维素焊接物，该方法很难对纳米SiC颗粒进行有效的分散和焊接。

因此，需要寻找新的方法来制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料，使其不仅具有高的力学性能而且有优异的阻尼吸振性。

发明内容

本发明要提供一种具有阻尼吸振及承载功能的SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，以解决现有技术难以同时提高SiC颗粒增强铝基复合材料阻尼和力学性能的问题，在机械装备承受高强度震动和噪声的情况下，存在着可靠性差和工作精度低的问题。

为达到本发明的目的，本发明采用的技术方案是：一种微纳SiC颗粒协同强化铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)分散SiC纳米颗粒：先将羟丙基纤维素加入无水乙醇中充分搅拌使其溶解制得分散液，羟丙基纤维素与无水乙醇质量比为1:180-1:260；再将粒径为50-100nm的SiC纳米颗粒加入到分散液中，SiC纳米颗粒与分散液质量比为1:46，搅拌分散均匀得SiC纳米颗粒溶液；

(2)将SiC纳米颗粒焊接在铝粉表面：取质量比为5:6的SiC纳米颗粒溶液与粒径为30-100μm的铝粉，在高能球磨机中进行球磨，然后干燥得表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉；

(3)均匀混合：先将聚乙烯亚胺放入无水乙醇中，充分搅拌使其完全溶解，聚乙烯亚胺与无水乙醇的质量比为1:40，室温环境中静置12h得混合液；再将表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉与微米SiC颗粒按质量比2-5:1混合得到粉体混合物，量取体积比为4:1的混合液和粉体混合物，搅拌后抽滤，获得混合均匀的SiC微米颗粒与表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉；

(4)热压烧结：将混合均匀的SiC微米颗粒与表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉放入石墨磨具中，在真空热压烧结炉中进行高温烧结制得。

进一步的，上述步骤1中，所述搅拌是在500-800转/分转速下进行机械搅拌30min，所述分散是通过功率400-800W的超声进行振荡分散1h。

进一步的，上述步骤2中，所述磨球介质为碳化钨球，其直径为3mm，球磨容器为硬质合金球磨罐，磨球与原料质量比为10:1，球磨转速为250转/分，球磨时间为4.5h，球磨完成后，所述干燥是采用循环水式真空泵抽出蒸发粉体中多余的分散剂。

进一步的，上述步骤3中，所述搅拌是在转速500转/分下进行机械搅拌30min，所述过滤是将混合均匀的粉体溶液倒入抽滤装置中，在抽滤泵的作用下快速抽滤掉多余的混合液，获得混合均匀的SiC微米颗粒与表面焊接纳米颗粒的铝粉。

进一步的，上述步骤4中，烧结工艺为，抽取真空度为10

进一步的，上述步骤(3)中SiC微米颗粒粒径为5-10μm。

进一步的，本发明提供了上述制备方法制得的一种微纳SiC颗粒协同强化铝基复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明制备方法简单易行：提出了通过微纳协同强化的方式来提高SiC颗粒增强铝基复合材料阻尼及力学性能，具体的分析如下：由于纳米颗粒尺寸极小，颗粒表面活度较高，其相互间很容易发生团聚，本发明首先采用羟丙基纤维素的乙醇溶液作为分散剂，实现了对SiC纳米颗粒的均匀分散，然后采用球磨焊接的方法，在球磨焊接过程中分散剂中的羟丙基纤维素作为焊接剂，由于羟丙基纤维素中存在非极性基团，它能够在铝粉和纳米SiC的表面之间形成吸附作用，从而将SiC纳米颗粒牢固焊接在铝粉表面，避免后续与SiC微米颗粒混合过程中，SiC纳米颗粒脱落再团聚。

2、复合材料力学与阻尼性能同步提高：采用本发明的方法，SiC纳米颗粒在铝粉表面的分布更均匀，一方面能够与SiC微米颗粒起到共同增强作用提高铝基复合材料的力学性能，另一方面，SiC纳米颗粒在SiC微米颗粒与铝基体之间形成了一个粗糙的界面结构，增大了界面滑移损耗，在外部振动作用下能够将振动能快速消耗掉，增大了铝基复合材料的阻尼吸振性能，使得本发明的SiC颗粒增强铝基复合材料在力学与阻尼性能两个方面同时得到提高。

3、本发明制备的微纳SiC颗粒协同增强铝基复合材料由于微米和纳米SiC颗粒的协同强化作用，使得复合材料具有优异力学及阻尼性能，经测试，其密度为2.72g/cm

附图说明

图1为实施例中获得的表面焊接SiC纳米颗粒铝粉的扫描电子显微镜图；

图2为实施例中获得的微纳SiC颗粒协同强化铝基复合材料的扫描电子显微镜图；

图3为实施例中获得的微纳SiC颗粒协同强化铝基复合材料的宏观照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1，本发明提供的一种微纳SiC颗粒协同强化铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

步骤1，将羟丙基纤维素加入无水乙醇中充分搅拌使其溶解，制得能够分散SiC纳米颗粒的分散液，其中羟丙基纤维素的质量与无水乙醇的质量比为1:180，接下来，将粒径100nm的SiC纳米颗粒加入到分散液中，SiC纳米颗粒与分散液质量比为1:46，通过500转/分转速机械搅拌30min，然后再通过超声功率400W的超声振荡分散1h，使SiC纳米颗粒在分散液中均匀分散，得SiC纳米颗粒溶液。

步骤2，取步骤1分散好的SiC纳米颗粒与粒径100μm1060型铝粉放入球磨罐中，在高能球磨机中进行球磨，在撞击挤压作用下，使SiC纳米颗粒均匀焊接在铝粉表面，其中分散有SiC纳米颗粒的液体与铝粉的质量比为5:6，磨球介质为碳化钨球，其直径为3mm，球磨容器为硬质合金球磨罐，磨球与原料比为10:1，球磨转速为250转/分，球磨时间为4.5h，球磨完成后干燥，采用循环水式真空泵抽出蒸发粉体中多余的分散剂，得表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉。

步骤3，首先称取一定质量的聚乙烯亚胺放入无水乙醇中，充分搅拌使其完全溶解，聚乙烯亚胺与无水乙醇的质量比为1:40，然后，在室温环境中静置12h，使其形成稳定混合液。然后，将表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉与微米SiC颗粒按照质量比为5：1混合得到粉体混合物，SiC微米颗粒的粒径为10μm；量取混合液倒入烧杯中，并向烧杯中加入粉体混合物，混合液与粉体混合物的体积比为4:1，在转速为500转/分的机械搅拌下搅拌30min，使粉体均匀分散在混合液中，然后将混合均匀的粉体溶液倒入抽滤装置中，在抽滤泵的作用下快速抽滤掉多余的混合液，获得混合均匀的SiC微米颗粒与表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉。

步骤4，将步骤3混合均匀的SiC微米颗粒与表面焊接纳米颗粒的铝粉放入石墨磨具中，在真空热压烧结炉中进行高温烧结，烧结工艺为，抽取真空度为10

实施例2，一种SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将羟丙基纤维素加入无水乙醇中充分搅拌使其溶解，制得能够分散SiC纳米颗粒的分散液，其中羟丙基纤维素的质量与无水乙醇的质量比为1:260，接下来，将粒径50nm的SiC纳米颗粒加入到分散液中，SiC纳米颗粒与分散液质量比为1:46，通过800转/分转速机械搅拌30min，然后再通过超声功率800W的超声振荡分散1h，使SiC纳米颗粒在分散液中均匀分散，得SiC纳米颗粒溶液。

步骤2，取步骤1分散好的SiC纳米颗粒与粒径60μm6061型铝粉放入球磨罐中，在高能球磨机中进行球磨，在撞击挤压作用下，使SiC纳米颗粒均匀焊接在铝粉表面，其中分散有SiC纳米颗粒的液体与铝粉的质量比为5:6，磨球介质为碳化钨球，其直径为3mm，球磨容器为硬质合金球磨罐，磨球与原料比为10:1，球磨转速为250转/分，球磨时间为4.5h，球磨完成后干燥，采用循环水式真空泵抽出蒸发粉体中多余的分散剂，得表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉。

步骤3，首先称取一定质量的聚乙烯亚胺放入无水乙醇中，充分搅拌使其完全溶解，聚乙烯亚胺与无水乙醇的质量比为1:40，然后，在室温环境中静置12h，使其形成稳定混合液。然后，将表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉与微米SiC颗粒按照质量比为2：1混合得到粉体混合物，SiC微米颗粒粒径为5μm；量取混合液倒入烧杯中，并向烧杯中加入粉体混合物，混合液与粉体混合物的体积比为4:1，在转速为500转/分的机械搅拌下搅拌30min，使粉体均匀分散在混合液中，然后将混合均匀的粉体溶液倒入抽滤装置中，在抽滤泵的作用下快速抽滤掉多余的混合液，获得混合均匀的SiC微米颗粒与表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉。

步骤4，将步骤3混合均匀的SiC微米颗粒与表面焊接纳米颗粒的铝粉放入石墨磨具中，在真空热压烧结炉中进行高温烧结，烧结工艺为，抽取真空度为10

上述实施例2为最佳实施例。参见图1，实施例2获得的表面焊接SiC纳米颗粒的铝粉，可以看到SiC纳米颗粒牢固焊接在铝粉表面。

参见图2及图3，实施例2获得的微纳SiC颗粒协同强化铝基复合材料微观及宏观照片，从图中可以看到制备的复合材料结构致密。

对实施例2中得到的复合材料进行了测试，得到的数据为其密度为2.72g/cm

上面结合实施例对本发明做了进一步的叙述，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。